《植物生理学》绪论一、植物生理学的研究对象和内容　　植物生理学（plant physiology）是研究植物生命活动规律的科学，是生物科学的一个重要分支。植物生理学的研究范畴应当包括整个植物界的各种类型植物的生命活动，但由于和人类关系最密切的植物（含农作物、林木、园艺作物和资源植物等）大多数是高等植物，因此植物生理学研究的对象往往着重于高等植物。　　植物生理学是研究植物体内所进行的各种生理过程及其作为这些生理过程的生物物理和生物化学基础，这些过程的机理以及与环境条件的关系和形态结构的关系。从群体、整体、器官、组织水平深入到细胞、亚细胞和分子水平，把宏观与微观结合来阐明植物生命活动的规律。研究的目的不仅要认识和解释现象，而且更要掌握其规律性，能动地为农、林、园艺等生产服务。　　高等植物的生活史从受精卵分裂开始，经历胚胎发生期，完成种子发育阶段；种子萌发后植物经历幼龄期、性成熟期、开花结实期以及衰老期。植物在生命活动的整个过程中产生许多变化，概括起来是：物质转化、能量转化、信息传递和形态建成。在叶绿素的参与下，绿色植物能将CO2和H2O以及其它无机物转变为有机物，同时将太阳的辐射能转变为化学能。这个光合作用过程是植物体内进行所有物质转化和能量转化的基础。光合作用和所有的代谢过程是植物生长发育的基础，而生长发育则是各个代谢过程的综合表现，也包括形态建成过程。与动物和微生物相比，植物本身有其独特之处，首先是绿色植物具有自养性，能利用无机物自行制造有机物；其次是植物扎根在土中营固定式生活，因而对不良环境的抗性较强；再其次是植物生长无定限，虽然部分组织或细胞死亡，但同时却有器官、组织或细胞再生或更新，不断生长；最后的特点是植物体细胞具有全能性，即具有完整细胞核的细胞，都具有分化成一个完整植株的潜在能力。因此，植物生理的研究不但具有生物共性，而且还有其特殊性，具有重大的理论意义。二、植物生理学的产生和发展　　我国古代劳动人民在农业生产中总结出很多有关植物生理学的知识，例如豆类与谷物的轮作法、“粪种”（即用粪水浸泡种子）法、“七九闷麦”法（即春化法）等。但由于中国长期处于封建社会，劳动人民积累的生产知识和经验，得不到科学实验的验证和理论上的概括，在长时间内未能形成科学体系。　　随着人类生产力以及其它基础学科的发展，科学的植物生理学得到相应的发展。植物生理学的产生是从土壤营养的研究开始，农业生产的发展要求植物生理学回答：植物体中的物质从那里来，又是如何进行营养的。直到19世纪德国李比希（Liebig，1840）建立矿质营养学说，提出施矿质肥料补充土壤营养的消耗；与此同时法国布森格（Boussingault）用实验证明植物不能利用空气中的氮素；而克诺普（Knop）、费弗尔（Pfeffer）在无土条件下培育植物成功，这些都是对植物营养理论的重大贡献。18世纪海尔斯（Hales）将植物干馏，观察到有气体放出，推测植物体能吸收气体状态物质，这一发现使人们注意到空气营养。普利斯特利（Priestley）在发现氧后不久也观察到植物的绿色部分有放氧现象（1779年）。同年荷兰印根胡兹（Ingenhousz）发现植物的绿色部分只有在光下才能放氧，在黑暗中则放CO2，这既证实了光合作用也发现了呼吸作用。　　19世纪在西欧广泛进行资产阶级产业革命，造成了社会生产力的高涨，机器和化肥的应用促进了农业生产的发展，因此对植物内部活动过程的了解有更多的要求，植物生理学便逐渐形成了独立的学科体系。1845年罗伯特迈尔（Robert Meyer）把能量守恒定律应用到植物生理学，确定了光合作用也服从这一定律，并且指出光合作用的基本特点是把光能转变为化学能。其后俄国季米里亚捷夫（Gimiriazev）证明光合作用所利用的光就是叶绿素所吸收的光；而巴赫（Bach）、巴拉琴（Palladin）和科斯梯切夫（Kostychev）则确认呼吸作用是“生物燃烧”，其释放的能量来自呼吸底物中所贮藏的能量。　　有关形态建成方面也有很大发展。1920年加纳（Garner）和阿拉德（Allard）提出光周期学说，阐明日照长度对植物开花的作用。随后博斯威克（Borthwick）等人发现了光敏素，把形态建成推进到细胞和分子水平。另外，组织培养技术的发展大大推动了植物生长发育的研究。1904年在含有无机盐溶液及有机成分的培养基上成功地培养了胡萝卜和辣根菜的离体胚。1934年怀特（White）用番茄根建立了第一个无性繁殖系，并发现在迅速生长的根尖病毒浓度很低，这为培养无毒植株奠定了基础。Skoog和崔澂发现腺嘌呤或腺苷可以解除培养基中生长素对芽形成的抑制作用，确定了腺嘌呤/生长素的比例是控制芽和根形成的主要条件之一。由于广泛研究和培养技术的不断改进，特别是单细胞培养并诱导分化成植株的成功，以及植物生长物质知识的不断增多，加上农业生产上不断提出新的要求，大大促进了这一领域研究的的广泛开展。同时，使早期提出的细胞全能性假说，得到了科学的证实。　　20世纪初期迄今，由于物理学、化学的发展，以及先进技术的应用，促进了植物生理学突飞猛进向前发展。生物科学领域中的细胞学、遗传学、分子生物学、生物化学、生物物理学等的发展，使深入研究植物生命活动的机理变得更为有效。各种问题的研究趋向分子水平深入，又不断综合，提出新概念。初期的植物生理学着重外界条件的影响和外表的变化。30至40年代生物化学的发展对植物生理学的冲击很大，促使植物生理研究大大地深入到植物内部的机理。60年代中期分子生物学成为一个学科，使植物生理学的范畴更广阔，分析也更深入。反映这种趋势的突出例子是：国际著名的学术期刊《植物生理学年鉴评论》（Annual Review of Plant Physiology），于1985年改名为《植物生理学及植物分子生物学年鉴评论》（Annual Review of Plant Physiology and PlantMolecular Biology），这表明在植物生理学领域的研究中分子生物学的比例加大了。　　我国现代植物生理学的发展可追溯到1917年钱崇树在国外发表了一篇有关离子吸收的论文，但他后来没再从事植物生理学工作。20年代末，罗宗洛、李继侗和汤佩松先后回国开展植物生理学方面的研究，为中国植物生理学的发展奠定了基础。但在旧中国，科学工作者的研究未被重视，发展缓慢。解放后，综合性大学生物系和农、林、师范院校普遍开设植物生理学课程，中国科学院、农科院以及许多农、林业研究部门也设立专门研究机构，培养了一大批从事植物生理学方面的人才，做了大量研究工作，发表的论文有的已接近国际先进水平，甚至居于领先地位。随着我国工业、农业、林业和园艺生产的发展，植物生理学必将得到蓬勃的发展，为实现我国四个现代化作出贡献。三、植物生理学的发展前景　　植物生理学的产生和发展，决定于生产的发展和其它学科的发展，而植物生理学的发展又反过来促进农、林业等生产的发展。展望前景，一方面是植物生理学本身的发展，另一方面是植物生理学的应用。　　溶液培养法（无土栽培法）在阐明植物对养分需要上起过决定性作用，并奠定了施用化肥的理论基础。近几年来溶液培养法已发展成为一种实用的农业生产手段。如前苏联在西伯利亚利用无土栽培法生产饲料，英国则用此法生产花卉，在阿拉伯国家的沙漠地带则用此法在室内种植蔬菜和谷物。我国许多地方近年来也应用无土栽培法生产蔬菜和花卉。　　植物激素的发现促进了植物生长调节剂的研制和生产，并且广泛应用于农业生产，取得了显著的效果。如杂交水稻制种时保证花期相遇；去雄、疏花、保果、改变株型、改善品质，以及插条生根、打破休眠、延长贮藏期、人工催熟等问题，都可应用植物生长调节剂来解决。此外，有些植物生长物质（如2，4-D）还用作除草剂，能选择性地除去稻田的杂草，以代替田间中耕除草的繁重劳动，因而开辟了农药界的新领域。　　组织培养技术的理论与应用有很大的发展。由营养芽脱分化为愈伤组织，愈伤组织经过大量繁殖后再分化出许多芽和根，成为许多小苗，这便可大大提高繁殖系数和缩短育苗时间。还可通过组织培养生产某些特殊物质（次生物质）。近年来原生质体的培养取得可喜的进展，已经获得很多再生植株，通过原生质体融合和细胞杂交，并结合常规的选育技术，有可能育出新的植物。另外通过组织培养技术可获得单倍体植株。对试管苗繁殖中的“玻璃化”、激素后效应、遗传稳定性和复壮等问题，有待进一步研究。同时还应用组织培养技术诱导体细胞胚的发生，从体胚培养进入人工种子的研制研究。在离体培养中，可以较好地研究细胞和组织的分化，深入了解植物发育的分子机理。　　为避免育种工作的盲目性，必须选择那些具有优良农艺性状和经济性状的亲本，构成最佳的遗传组合，以求产生理想的植物体。细胞生理学的现代技术能使单个细胞长成植株，且能操纵体细胞内的遗传物质。无疑，植物生理学与遗传学结合，对人类的未来是非常重要的。　　认识了植物对自然界的光温反应规律，不仅可以解释植物生长发育的现象，而且还可以预测引种成功的可能性，用人工方法控制植物的开花季节等。光敏素的发现开辟了形态建成的分子基础研究，目前还发现另一调控形态建成的色素——隐花色素，两者均为学者们所重视。　　存在于叶绿体基质中的核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）是地球上主要的可从空气中取得CO2的酶，目前已被作为遗传工程中的一个重要目标，近年来对该酶的晶体结构、反应机构、调节及分子生物学方面研究进展迅速。其次，固氮酶的研究亦已进入分子水平。　　水分在植物生命活动中扮演着一个非常重要的角色，水分胁迫往往使膜蛋白从膜系统游离下来，导致蛋白质变性聚合。可是正常性种子的细胞却能耐脱水，而顽拗性种子则否，学者们对这个问题感到困惑，近年来对其研究十分活跃。　　种子品质严重影响到作物产量。当前对种子品质研究的趋向有两个方面：一是从种子萌发潜力（或称生活力）和耐藏性的高低进行研究；另一是寻找种子品质的分子标志。　　在多次农业及粮食的国际会议讨论中，曾提出十余项迫切的研究任务，其中多项属于植物生理学的范畴，如光合作用与生产、生物固氮、矿质吸收、对不良环境的抗性、对竞争性生物系统的抗性、植物的生长发育与激素等。其余几项如遗传工程、细胞工程、菌根和土壤微生物、大气污染、病虫害的控制等也与植物生理学有关，可见植物生理学是农业现代化的主要基础。　　光合作用的研究，在解决粮食问题和能源问题两个方面都将发挥巨大作用。甚至还涉及环境保护方面，因为工业发展，石油、煤等的燃烧量大，空气中CO2显著增加，以致影响气候环境，增加光合作用来吸收CO2是对策之一。更为突出的是新能源的开发。地球上捕获、转化太阳能的最主要途径是绿色植物的光合作用，每年能固定3×1021J，10倍于世界上每年的能量消耗。为此提出如下办法：（1）利用植物残渣制成沼气；（2）使植物产物发酵制造酒精；（3）利用不适于耕种的土地栽植产油脂或碳氢化合物的植物以提取燃料；（4）利用藻类或离体叶绿体在光下产生氢气；（5）用提取的叶绿素及人造的无机半导体物质来摸拟光合作用，分解水放出氢气。这些做法都是根据植物生理学研究发展出来的。太阳能取之不尽，如能用来产生氢气作为燃料，燃烧后生成水，可反复使用，且不会造成污染。　　地球上的空气、土地和水源受到污染日益严重，利用植物净化和监测环境日益被重视。　　植物生理学一面向“微观”方向发展，另一趋势是向“宏观”方向发展，从以植物个体或器官为研究对象走向群体和群落。随着环境科学的发展，以及电子计算机的应用、遥感遥测技术的研究、数学模型的研究等等，将使植物生理学在更大规模上控制植物的生长和改造自然。植物生理学的发展不仅使农业生产的面貌发生深刻变革，也会对工业的发展产生深远的影响。　　本教材既依据研究对象和内容、学科的产生与发展安排章节与编写内容，同时也考虑到学科发展前景，因此除阐明基本原理和基础知识外，还拟引导读者较多地接触学科发展的边缘与前景，能更多地领悟到今后植物生理学的任务，使在学习上增加动力与信念。第一章 植物细胞　　植物和其它生物一样，都是由细胞（cell）构成的。植物细胞既是植物体的结构单位，也是功能单位。植物的物质代谢、能量代谢、信息传递和形态建成都是以细胞为基础的。因此，要了解植物生命活动的规律，必须研究植物细胞的结构和功能。　　所有细胞可分为两大类，即原核细胞（prokaryotic cell）和真核细胞（eukaryoticell）。原核细胞结构简单，核质与细胞质之间没有明显的核膜，因而无明显的细胞核；除质膜外，细胞质内无其它膜层结构：如内质网、线粒体、叶绿体和高尔基体等，但有核糖体。细菌、蓝藻等单细胞生物属于原核细胞一类。真核细胞具有明显的由膜包裹的细胞核，细胞质高度分化形成各种执行不同生理机能的细胞器，如线粒体、质体等，这些细胞器通过膜的联系，组成复杂的内膜系统。除细菌和蓝藻以外的低等植物和高等植物都是由真核细胞构成的。由于本书的研究对象主要是高等绿色植物，所以我们只讨论真核细胞。第一节 植物细胞的结构与功能　　真核植物细胞由两大部分组成：细胞壁（cell wall）和原生质体（protoplast）。细胞壁包围着原生质体，原生质体包括细胞质（cytoplasm）、细胞核（nucleus）和液泡（vacuole）（图1-1）。一、细胞壁　　植物细胞的一个显著特征就是具有细胞壁。细胞壁是包围质膜的一层坚硬外壳，它是由纤维素、半纤维素、果胶质、木质素和蛋白质组成的。细胞壁具有稳定细胞形态、减少水分散失和保护作用；它还参与细胞的生长、分化。细胞识别和抗病等代谢活动。细胞壁包括初生壁、次生壁和胞间层三部分（图1—2）。　　1.初生壁　　初生壁厚约1—3μm，它是由纤维素、半纤维素、果胶质和蛋白质组成的。　　纤维素是由300～15000个D—葡萄糖基β—1，4—糖苷键结合形成的，不分支，长约0.25～5μm，不溶于水。纤维素分子之间平行排列，横向以氢键相连，100个左右的纤维素分子聚集成束，称微胶团，再由约20个微胶团以长轴平行排列形成微纤丝，再由许多微纤丝聚集形成大纤丝。　　半纤维素是由葡聚糖和葡萄糖醛酸—阿拉伯木聚糖构成，通过氢键联结在纤维素的骨架上。　　果胶质是由鼠李糖聚半乳糖醛酸组成的，它结合在纤微素一半纤微素复合体上。　　初生壁中的蛋白质主要是伸展蛋白、一些酶和凝集素。伸展蛋白是一类糖蛋白，它在细胞壁中通过肽键形成一个独立的网状系统，有增加壁强度的作用，它在细胞生长中也起重要的作用。初生壁中的酶类主要有纤维素酶、过氧化物酶、苹果酸脱氢酶、磷酸酶、多种糖基水解酶和转移酶等。这些酶在细胞生长过程中起重要的调节作用。凝集素在细胞识别中起重要作用。　　2.次生壁　　当细胞停止扩大后，细胞壁仍能继续增生而加厚，形成所谓次生壁，它位于初生壁与原生质膜之间。次生壁一般比初生壁厚，是由纤维素、半纤维素、木质素和果胶组成。与初生壁比较，次生壁的纤维素含量增加，并有较多的木质素，而果胶质的含量较少，因此结合的水分少，具有更大的密度。次生壁中也含有伸展蛋白。　　3.胞间层　　胞间层又称中胶层，是由果胶类物质组成的。它位于相邻细胞的初生壁之间，将细胞粘连在一起。果胶类物质不溶于水，通常呈胶体状态，不具任何结构，具粘性。果胶质除了把相邻细胞联结在一起外，还起缓冲和阻止病菌入侵的作用。二、细胞膜　　根据所处位置，细胞膜可分为两类：一是包围着细胞质的膜，称为质膜；二是包围着各种细胞器的膜称为内膜，或内膜系统。　　1.细胞膜的化学成分　　细胞膜的主要成分是脂类和蛋白质，还含少量的多糖、微量的核酸和金属离子以及水分。在大多数的膜中，脂类与蛋白质的比约为1：1。　　构成植物细胞膜的脂类有磷脂、糖脂、硫脂和固醇。构成细胞膜的蛋白质基本上是球蛋白。按照排列位置及其与膜脂的作用方式，膜蛋白可分为外在蛋白和内在蛋白。在细胞膜中还有膜糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在，通常分布在质膜的外表面。　　细胞膜的水大部分呈液晶态的结合水，约占膜重量的30％。细胞膜中的金属离子在蛋白质与脂类中可能起盐桥的作用。比如，镁离子对ATP酶复合体与脂类结合具有促进作用；钙离子对调节膜的生物功能有重要作用。　　2.细胞膜的结构　　关于细胞膜的结构很早就有人进行研究。1895年Overton研究各种未受精卵细胞的透性，发现脂溶性物质很容易透过细胞膜，而非脂溶性物质很难透过，因此他认为在细胞表面存在一层类脂。1925年Gorter和Grendel提出红细胞的质膜由两层类脂分子所组成。Danielli和Davson于1935年提出了一个在类脂双分子层外部有蛋白质覆盖的质膜模型。1957年Robertson在Danielli等人的基础上提出了单位膜模型。1972年Singer和Nicolson提出了膜的“流动镶嵌模型”。　　现简单介绍单位膜模型和流动镶嵌模型。单位膜模型的要点是：膜是由磷脂和蛋白质组成的。磷脂是一种兼性分子，一是由磷酸、胆碱或其它基因构成的极性“头部”，具有亲水性；二是由两条脂肪酸长链构成的非极性“尾部”，具有疏水性（图1—3）。磷脂分子成双层排列，疏水性的尾部向内、亲水性的头部向外、与蛋白质分子结合，呈现三层结构（图1－4）。认为膜内外表面的蛋白质并不是球状蛋白，而是薄片状的。这种具有三层结构的膜称为单位膜（unitmembrane），一切细胞膜都具有单位膜的结构。　　单位膜模型的缺点是把细胞膜的动态结构描绘成一种静止的结构，并且认为所有膜都具有一样的成分。现已知道，不同的膜（例如质膜、线粒体膜、内质网膜等）具有不同的功能。它们的结构也应存在差异。但单位膜模型就难以说明各种膜功能的特异性以及为何有些蛋白质很难从膜分离出来，而有些蛋白质却容易与膜的类脂分开。　　流动镶嵌模型（fluid mosaic model）也认为，膜脂呈双分子层排列，疏水性尾部向内，亲水性头部向外。但认为膜蛋白并非均匀地排列在膜脂两侧，而是有的镶在膜脂外面（外在蛋白），有的嵌入膜脂中间或穿过膜的内外表面（内在蛋白）（图1—5）。　　流动镶嵌模型具有两个特点：　　（l）膜的流动性。这个模型认为无论类脂的双分子层还是膜的蛋白质都是可以流动的。试验证明，质膜中类脂分子的脂肪酸链部分在正常生理状态下处于流动状态。膜的脂质分子也能在膜平面进行侧向扩散运动。膜脂所含脂肪酸的碳链愈长或不饱和度愈高，流动性愈大。膜蛋白不仅能进行侧向扩散运动，而且能在与膜平面垂直的方向上下运动。　　（2）膜的不对称性。膜的不对称性主要指膜脂和膜蛋白分布的不对称性。在膜脂的双分子层中外半层以磷脂酰胆碱为主，而内半层则以磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺为主；并且不饱和脂肪酸主要存在于外半层。膜脂内外两半层所含的蛋白质种类和数量不同。另外，糖蛋白与糖脂只存在于膜的外半层，且糖基处于膜外，也呈现不对称性。　　流动镶嵌模型是目前得到比较广泛支持的模型。但是，细胞膜结构的许多问题现在还不很清楚，有待深入研究。　　3.细胞膜的功能　　细胞的膜系统把细胞与外界环境隔开，又把细胞内的空间分隔成许多小区域，即形成各种细胞器，使细胞的生命活动有分工，各种生理过程有条不紊地进行。内膜系统又把各种细胞器联系起来，共同完成一些生理生化反应。例如，光呼吸是在叶绿体、过氧化体和线粒体内共同完成的。　　细胞膜是某些生化反应的场所。比如，在线粒体和叶绿体内的某些生化反应就是在膜上进行的。　　细胞膜调控物质的吸收与转移。这是通过扩散、主动运输、胞饮作用和分泌等方式进行的。　　细胞膜具有识别功能，细胞对外界因素的识别过程发生在细胞膜。已经知道，膜糖的残基分布于膜的外表面，能够识别外界的某些物质。雌蕊的感受器是柱头表面的蛋白质膜。花粉粒外壁的糖蛋白与柱头质膜的蛋白质只有通过互相识别，才能完成受精作用。三、原生质体　　细胞中所有的生活物质称为原生质（protoplasm）。植物细胞除去细胞壁而得到的原生质球状体称为原生质体。原生质体主要由细胞质（cytoplasm）、细胞核（nucleus）和液泡（vacuole）组成。　　1.细胞质　　细胞质的成分包括质膜、细胞质基质、内膜系统、细胞骨架、核糖体、线粒体和质体等。　　（1）细胞质基质。细胞质在光学显微镜下，它是均匀一致的透明质；在电镜下，可看到许多不同类型的细胞器，细胞质除去这些细胞器，就是细胞质基质（cytoplasmicmatrix），亦称细胞浆（cytosol）。从生物化学的角度讲，它是细胞质的可溶相，是经过超速离心后所留下的上清液部分。细胞质基质的化学成分有水、无机离子、溶解的气体、糖类、脂类、氨基酸、核苷酸、蛋白质和RNA等。　　过去认为细胞质基质是无色透明均一的胶体物质。但通过研究，现在发现细胞质基质也存在一些亚显微结构。在电镜下，可看到细胞质基质含有许多纤维，这些纤维维持细胞的形态和运动，也提供细胞器的固着点。这些纤维包括微管、微丝和中间纤维。它们都是蛋白质，并相互联结成主体的网络，形成所谓细胞骨架（cytoskeleton），称为微梁系统（microtubule system）。　　蛋白质是细胞质基质的主要成分，因此细胞质基质具有胶体性质，如界面扩大、亲水性以及溶胶化与凝胶化等性质。一般情况下，植物细胞的原生质呈溶胶状态，在环境条件改变时，可由溶胶变为凝胶状态，比如，休眠的种子和芽的原生质呈凝胶状态。　　细胞质基质是植物细胞进行代谢活动的重要场所，比如，呼吸代谢的糖酵解、磷酸戊糖途径，脂肪的分解与脂肪酸的合成，光合细胞的蔗糖合成，硝酸盐的还原以及C4植物叶肉细胞固定二氧化碳等都是在细胞质基质中进行的；由核糖体合成的许多蛋白质亦在此进行。另外，细胞质基质可提供细胞器所需要的离子环境和反应底物。细胞质基质的的流动有利于物质的吸收和运转。　　（2）膜系统。膜系统包括质膜和内膜。质膜包围着细胞质，它调节物质进出细胞，参与调控植物代谢和生长发育中的许多过程，具有很重要的意义。内膜系统包括内质网、高尔基体、核膜、液泡膜、微体和溶酶体等。　　内质网（endoplasmic reticulum，ER）是由一层单位膜构成的囊状、泡状和管状的网膜系统。根据其膜外表面有无核糖体存在，可分为粗糙内质网和光滑内质网两种类型。内质网与核膜相连通，并与高尔基体在结构与功能上有密切关系。粗糙内质网可合成蛋白质。光滑内质网除有运输由粗糙内质网所合成的蛋白质的功能外，还可合成脂类和固醇。内质网还是细胞内和细胞间物质与信息交流或运输的通道。　　高尔基体（Golgibody）是由许多扁平的囊泡构成、包着单层膜的细胞器，意大利学者C.Golgi于1898年发现，故名。它位于内质网和质膜之间。高尔基体与细胞的分泌机能有关，能够收集和排出内质网所合成的物质，它也是凝聚某些酶原颗粒的场所。高尔基体还参与多糖和糖蛋白的合成，因此与细胞壁和细胞膜的形成有关。　　核膜是细胞核与细胞质之间的界膜，由两层膜构成。其外膜与内质网有相连部位，可进行物质交换。核膜上有许多核孔，蛋白质。核酸等大分子可从中通过。　　液泡膜是包着液泡的单层膜，可控制液泡中溶质的进出，从而调节细胞的水势。　　微体（microbody）是由单层膜包裹成的球状细胞器，是由内质网的小泡形成的，主要有过氧化体和乙醛酸体。过氧化体与叶绿体和线粒体一道完成光呼吸作用。乙醛酸体能将脂肪酸转变为糖类。　　溶酶体（lysosome）是泡状结构，外面包着一层单位膜，其内部没有特殊的结构，含有能够水解糖类、脂类、蛋白质与核酸等几十种酸性水解酶类。溶酶体是细胞内溶解大分子物质的细胞器，它既可分解由外界进入细胞的物质，如分解异物，消除病菌等；也可消化细胞内原来存在的物质，如解体的线粒体和其他细胞器的碎片。因此它具有防御与营养的功能。　　（3）线粒体。线粒体（mitochondrion）是由双层膜组成的囊状结构，其形状、大小随细胞类型和生理状态而变化，一般呈球状、杆状或管状，长径约1～5μm，短径约1.5～1.0μm。线粒体的外膜平滑；内膜向内皱褶伸入而成为嵴，使其表面积大大增加，有利于呼吸过程中的酶促反应。内膜所包围的物质，称为基质或介质，呈透明胶体状，化学成分主要有可溶性蛋白、脂类、核糖体、核酸和多种酶。在内膜上，分布着许多颗粒，这些颗粒与ATP的合成有关（图1—6）。　　线粒体的外膜含磷脂多，通透性大，物质容易进出。内膜含蛋白质较多，通透性小，有利于一些酶促反应的进行，离子和分子的通过要有特殊的载体帮助才行。　　线粒体是细胞进行呼吸作用的主要场所。已经证明，三羧酸循环、氨基酸代谢和脂肪酸分解中的各种酶存在于线粒体基质中；而电子传递和氧化磷酸化的酶系则存在于线粒体的内膜上。线粒体基质中还含有DNA、RNA及合成蛋白质所需的各种酶，可合成蛋白质。　　（4）质体。质体（plastid）是植物细胞特有的用于合成代谢的细胞器。按所含的色素和功能不同，质体可分为白色体（leucoplast）、叶绿体（chloroplast）和有色体（chromoplast）。　　白色体无色，因所在组织和功能的不同可分为造粉体、造蛋白体和造油体。　　有色体含有胡萝卜素和叶黄素，呈现黄色或橙红色，存在于花瓣和果实的外表皮中。有色体由于所含的叶绿素退化和类囊体结构的消失，其光合作用能力已处于不活动的状态。它们能够积集淀粉和脂类。　　叶绿体是植物特有的能量转换的细胞器。在高等植物中，大多数叶绿体呈椭圆形，直径约5～10μm，厚2～3μm。叶绿体被两层光滑的单层膜所包围，两层膜之间为透明的空间所隔开。在被膜之内，由膜层形成了许多扁平密封的小囊，称为类囊体。叶绿体的功能是进行光合作用。有关叶绿体的详细结构与功能将在“光合作用”一章中讲述。　　2.细胞核　　细胞核具有双层膜，呈球形或卵圆形。细胞核贮存有细胞中的绝大部分遗传信息DNA，因此它是细胞代谢、分化和繁殖的控制中心。　　细胞核包括核膜、核仁、染色质和核液。　　真核生物的细胞具有核膜。核膜由内外两层膜组成，它把遗传物质DNA与细胞质分开。　　核仁无界膜，一般呈球形，直径3～5μm，一个细胞核中可含有1～4个核仁。核仁由DNA，RNA和蛋白质组成，是合成核糖体RNA的主要场所；还有保护mRNA的作用。　　染色质主要由DNA，组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成。染色质在有丝分裂时高度螺旋化形成染色体。染色体在有丝分裂间期又扩散为染色质。因此染色质和染色体是有丝分裂周期中不同阶段的形态。细胞的大部分DNA都集中在染色体中，因此染色体是遗传密码的载体，是细胞中主宰遗传的结构。　　核液亦称核内基质，为无定形，含有水、无机盐和多种酶等，染色质和核仁悬浮于其中。　　3.液泡　　液泡是植物细胞特有的结构之一。在未成熟的细胞中具有许多小液泡。在成熟细胞有一个很大的中央液泡，可占细胞体积的80％～90％，它是由许多小液泡合并而成的。　　液泡由一层单位膜包围，其主要成份是水，还含有无机离子、有机酸、糖类、酶和次生代谢物质等。　　液泡的主要作用是维持细胞的紧张度。液泡内含有溶质，加上液泡膜的选择透性，使其进行渗透性吸水，通过水势变化调节细胞的吸水力。液泡内含有酸性磷酸酶、蛋白酶、核糖核酸酶、a-葡萄糖苷酶和a-半乳糖苷酶等水解酶，因此具有类似溶酶体的作用，一方面可水解液泡内的大分子化合物；另一方面在细胞衰老或损伤而使液泡膜破坏时，这些酶进入细胞质，使细胞发生自溶作用。液泡中可贮存某些次生代谢物，如单宁、黄酮和某些生物碱等，避免了这些次生代谢物对细胞质的伤害。第二节 细胞间的通道　　高等植物是由无数细胞组成的，这些细胞并不是孤立存在的，而是紧密联系在一起的。植物细胞间的通道主要是胞间连丝和自由空间。　　两个相邻细胞的细胞壁之间靠一层称为胞间层的果胶类物质粘合在一起。此外，在两个细胞之间常有原生质丝穿过细胞壁和胞间层而互相连通。这种原生质丝称为胞间连丝（plasmodesma）。胞间连丝可看作是质膜特化的结构，是相邻细胞之间穿过细胞壁的通道，直径约40nm。高等植物的胞间连丝形成两条分隔的通道：一条是由质膜连续构成的，处在外围，形成管腔；另一条是位于管腔内的中央套管，称连丝微管（图1-77）。胞间连丝使植物细胞的原生质体互相沟通，便于物质的转移，刺激的传导和细胞质的流通。　　植物细胞的原生质体通过胞间连丝形成了连续的整体，称为共质体（symplast）。在共质体中，水分、矿质和有机物等可通过胞间连丝在细胞间进行交流。因此，胞间连丝是细胞间物质与信息交流的通道，它使植物在结构上与机能上成为一个统一的整体。　　质膜以外的胞间层、细胞壁与细胞间隙，彼此也形成一个整体，称为质外体（apoplast）。发育完全的导管不具原生质，也属于质外体。在质外体中，水分和各种溶质可自由移动，因此质外体又称为自由空间。它是细胞、组织和器官之间物质交流的又一重要通道。植物根系吸收的水分、矿质，可通过质外体运输到地上各部分去。共质体和质外体是植物体内物质运输的两大通道。在一般情况下，这两个通道是畅通的，但有时会局部被阻隔。例如，生殖细胞的胞间连丝会断裂，失去细胞间的连系；根中内皮层细胞的壁产生不透水、不透气的凯氏带，使根的质外体被分隔为内外两部分。这对质外体中的物质运输会带来阻碍，但可防止中柱内的物质外漏，保持较高浓度，有利于营养物质的保持和水分的吸收。第二章 呼吸作用　　第一节 呼吸作用和呼吸商一、呼吸作用的定义　　呼吸作用（respiration）包括了有氧呼吸和无氧呼吸两大类型。有氧呼吸（aerobic respiration）是生活细胞吸收O2，将淀粉、葡萄糖、蔗糖等有机物质彻底氧化，放出CO2和形成H2O，并释放能量的过程。例如以葡萄糖为底物时，有氧呼吸的总反应式如下：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量　　无氧呼吸（anaerobic respiration）是指生活细胞在无氧条件下，把某些有机物如葡萄糖、果糖等分解成不彻底的氧化产物，同时释放出能量的过程，这个过程又叫发酵作用（fermentation）。高等植物的呼吸主要是有氧呼吸，无氧呼吸时产生酒精。因此，以葡萄糖为底物时，无氧呼吸的总反应式是：C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量　　植物进行呼吸时，释放的能量大部分以热量形式转移到大气和土壤中，这部分热量对植物本身并没有什么作用和好处，只有少数种类的植物在外界温度低时，这些热量可以促进代谢和生长。呼吸作用释放的另一部分能量则以ATP，NADH和NADPH的形式贮存起来，这些化合物特别是ATP为植物生命活动的许多基本过程所必需。　　呼吸作用有两种定义。一种是广义的定义，即包括有氧呼吸和无氧呼吸。另一种是狭义的定义，专指有氧呼吸，平时所说的呼吸作用往往是指有氧呼吸。　　有氧呼吸和无氧呼吸的总反应式似乎是将呼吸作用简单化了。实际上呼吸作用包含一系列的不同酶催化的反应过程，以及包含电子传递和能量转换过程。更为复杂的是呼吸作用的中间代谢产物被用作蛋白质、核酸、脂肪、色素等植物体内许多重要物质的合成原料。因此，往往只有一部分呼吸底物被全部氧化产生CO2和H2O，而另一部分则用于细胞物质的生物合成过程。二、呼吸商　　呼吸商（respiratory quotient，简称RQ），是指呼吸作用所释放的CO2和吸收的O2的分子比。当蔗糖、葡萄糖或淀粉等碳水化合物作为呼吸底物时，如果它们被完全氧化，则细胞的耗氧量和释放CO2量相等，即RQ值约等于1。例如，多种植物叶片的RQ约为1.05，禾谷类种子或其它淀粉类种子萌发时，RQ接近1。一些含油和脂肪类种子萌发时，RQ约为0.7。以油或脂肪作呼吸底物时，需要消耗大量的O2。可以通过呼吸底物完全氧化的方程式来计算呼吸商。例如：C6H12O6+6O2→6CO2＋6H2O六碳糖 RQ=6/6=12C57H104O9＋157O2→114CO2＋104H2O　　蓖麻油 RQ＝114/157＝0.73　　通过测定植物不同组织或器官的RQ，可以判断呼吸底物的类型。不过，呼吸商往往还受到许多其它因素的影响而变得更为复杂。例如：无氧呼吸时，没有O2的吸收，只有CO2的释放，此时RQ值为无穷大；当植物体内发生物质的转化，呼吸作用中间产物用于其他物质的生物合成时，RQ值会受到影响；植物体内往往是多种呼吸底物同时进行呼吸作用，其呼吸商实际上是这些物质氧化时细胞耗O2量和释放CO2量的总体结果；此外，一些物理因素如种皮不透气性，很难获得种子萌发时的耗O2量和CO2释放量的真实数据，因而测定的RQ值的可信程度低。第二节 碳水化合物降解的途径一、贮藏物质转化为己糖　　1.淀粉的贮藏和降解　　植物中的淀粉以直链淀粉和支链淀粉的形式贮存在非水溶性的淀粉粒中。叶片中的淀粉积累在叶绿体中，而在植物的贮存器官或根和茎中，淀粉则贮藏在淀粉体中。多年生植物在冬季积累淀粉为来年春季的生长利用。植物的块茎以及种子的胚乳和子叶中含有丰富的淀粉，这些淀粉大部分在幼苗生长发育期间利用。　　淀粉的水解有两种途径，即水解途径和磷酸解途径。淀粉水解时每切断一个糖苷键吸收一分子水，主要的水解酶有α-淀粉酶和β-淀粉酶。淀粉磷酸解作用使磷酸根和产物葡萄糖结合在一起产生磷酸葡萄糖，主要的酶为淀粉磷酸化酶。　　α-淀粉酶又叫淀粉内切酶，能随机催化水解直链和支链淀粉上的α-1，4-糖苷键，产生的低聚糖进一步由α-淀粉酶水解，直至产生葡萄糖和麦芽糖：　　植物中α-淀粉酶具有许多同工酶。例如用等电聚焦电泳发现萌发的小麦种子存在20多种不同等电点的同工酶。α-淀粉酶不能水解支链淀粉分支上的α-1，6-糖苷键。因此，α-淀粉酶水解支链淀粉的结果会产生葡萄糖、麦芽糖和带分支链的极限糊精（limit dextrin）：　　脱支酶可以水解极限糊精上的α-1，6-糖苷键产生低聚葡萄糖，后者再由α-淀粉酶进一步水解产生葡萄糖和麦芽糖：　　β-淀粉酶又称淀粉外切酶。该酶可以催化水解淀粉链上的α-1，4-糖苷键，但只能从淀粉链上的非还原端逐个麦芽糖进行水解。β-淀粉酶不能水解支链α-1，6-糖苷键，因此在水解支链淀粉时有极限糊精存在：　　由α和β-淀粉酶产生的麦芽糖，经α-葡萄糖苷酶水解产生两个分子的葡萄糖。α-葡萄糖苷酶也可以水解一些低分子量的麦芽低聚糖。　　淀粉磷酸化酶在直链或支链淀粉的非还原端开始逐个切割淀粉链上的α-1，4-糖苷键，产生葡萄糖-1-磷酸：　　直链淀粉可以被淀粉磷酸化酶完全水解，而支链淀粉则剩下带分支的极限糊精，这些极限糊精进一步由脱支酶和α-葡萄糖苷酶水解成葡萄糖。值得注意的是，淀粉磷酸化酶既可以催化淀粉的降解，又可催化淀粉的合成。不过，在植物淀粉粒内，淀粉磷酸化酶的主要功能是催化淀粉的降解。　　淀粉磷酸化酶和α-淀粉酶一样，广泛存在于植物中。但目前很难判定α-和β-淀粉酶中哪一种酶在淀粉降解中更为重要。不过，有理论认为非水溶性的淀粉粒只有经过α-淀粉酶的初步水解后，β-淀粉酶和淀粉磷酸化酶才能起作用。图2-1显示了这些酶在支链淀粉链上的作用位点。禾谷类种子萌发后淀粉的降解主要由α-和β-淀粉酶进行水解，而淀粉磷酸化酶的作用不大。但在其他种类植物种子以及所有植物的叶片和其他组织中，淀粉的降解可能由几种酶的协同作用。例如叶绿体中淀粉的降解可能存在下列步骤：（1）淀粉粒被水解成可溶性的葡聚糖；（2）a可溶性葡聚糖在淀粉磷酸化酶和脱支酶的作用下产生葡萄糖-1-磷酸；（2）b可溶性葡聚糖继续水解；（3）磷酸己糖和葡萄糖进一步转化为丙糖磷酸（磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸）；（4）丙糖磷酸由磷酸载体转运到细胞质中。到达细胞质中的磷酸丙糖再组装成磷酸六碳糖或直接进入糖酵解途径。　　2.果聚糖的水解　　在一些植物中，如大麦属、燕麦属和一些双子叶植物，它们的叶、茎和花等组织中的主要贮藏碳水化合物为果聚糖，而种子中主要为淀粉。对于果聚糖的代谢现在知道的不多。果聚糖的降解主要通过β-呋喃果糖苷酶水解β-1，2或β-2，6-糖苷键，产生果糖和蔗糖：　　　果糖可以直接进入糖酵解途径，蔗糖则需经过水解成葡萄糖和果糖后才能进入糖酵解途径。　　3.蔗糖的水解　　蔗糖的水解存在两种不同的机制。一种是由转化酶催化的反应，另一种是蔗糖合酶催化的反应。　　转化酶存在于细胞质、液泡和细胞壁中。细胞质中的转化酶为碱性酶，最适pH为7.5。而在液泡和细胞壁中的转化酶为酸性酶，最适pH为5或更低些。转化酶催化的反应如下：　　蔗糖合酶主要存在于细胞质中，催化的反应是双方向的：　　UDP-葡萄糖在UDP-葡萄糖焦磷酸化酶的作用下产生葡萄糖-1-磷酸和UTP。　　实验结果表明，蔗糖合酶是淀粉贮藏器官以及迅速生长的组织中分解蔗糖的主要酶。而转化酶则在生长较慢的组织以及成熟细胞的蔗糖水解中起主导作用。二、糖酵解　　呼吸作用可以分为三个主要阶段。第一个准备阶段称为糖酵解（glycoysis），第二和第三阶段是发生在线粒体中的三羧酸循环和电子传递途径。　　糖酵解是指葡萄糖、葡萄糖-1-磷酸或果糖分解成丙酮酸的一系列反应，是糖的无氧酵解，在细胞质中进行。虽然糖酵解的部分反应可以在叶绿体或质体中进行，但这些细胞器均不能完成糖酵解的全过程。糖酵解反应所需要的酶，除己糖激酶外，都存在细胞质中。图2-2列出了糖酵解的全过程。每一步反应都有特定的酶催化，每个中间产物都含有磷酸基。当一分子葡萄糖分解成二分子丙酮酸时，可由ADP和NAD+生成2分子ATP和2分子NADH，总反应式为：　　糖酵解具有下列几方面的功能：　　1.糖酵解使一分子己糖转变成二分子丙酮酸，并发生了部分氧化作用。虽然没有O2的吸收和CO2的释放，但发生了2分子NAD+被还原成NADH。每分子NADH进入线粒体氧化成NAD+可产生2分子ATP。部分不进入线粒体的NADH，在细胞质中推动生物合成过程。　　2.ATP的产生。在糖酵解中既消耗一些ATP，又产生一些新的ATP。一分子葡萄糖和果糖分解成2分子磷酸丙糖，而每一分子磷酸丙糖转化成丙酮酸时可产生2分子ATP，这样一共生成4分子ATP。至于净生产多少分子ATP则要看生成1，6-二磷酸果糖的途径而异。葡萄糖和果糖进入糖酵解后，分别由己糖激酶和果糖激酶催化，各消耗1分子ATP形成葡萄糖-6-磷酸或果糖-6-磷酸。后由果糖-6-磷酸转变成1，6－二磷酸果糖有两条途径。一条是由ATP-磷酸果糖激酶（ATP-PFK）催化的磷酸化作用，消耗1分子ATP。另一条途径是70年代末至80年代初发现的由PPi-磷酸果糖激酶（PPi-PFK）催化的磷酸化作用，磷酸供体为焦磷酸。由此可见，由葡萄糖或果糖转化成1，6-二磷酸果糖，如果通过ATP-PFK途径，需用去2分子ATP；如果通过PPi-PFK途径则只需要1分子ATP。因此，1分子六碳糖酵解净生成2分子或3分子ATP。　　3.糖酵解形成的中间产物可以用于植物其他物质的合成。详见本章第四节。　　4.糖酵解的产物丙酮酸进入线粒体进一步被氧化，产生比糖酵解更多的ATP。三、发酵作用　　虽然糖酵解过程能在缺氧的条件下进行，但其产物丙酮酸和NADH在线粒体中进一步氧化需要O2的参与。在缺氧的情况下，细胞质中积累丙酮酸和NADH，细胞进行发酵作用产生乙醇或乳酸（图2-3）。植物的发酵作用通常只产生乙醇。产生乙醇时，丙酮酸在丙酮酸脱羧酶的作用下脱羧产生乙醛和CO2。乙醛被NADH迅速还原成乙醇，催化这一反应的酶为乙醇脱氢酶。一些细胞存在乳酸脱氢酶，该酶利用NADH将丙酮酸还原为乳酸。细胞中两条途径的酶活性决定着乙醇或乳酸的生成。此外，两条途径中NADH都作为还原剂。只有在无氧情况下，细胞质中才会有足够的NADH促进丙酮酸或乙醛的还原作用。在一些植物中，当氧缺乏时NADH被用于其他物质如苹果酸和甘油的积累。　　发酵作用即无氧呼吸，包括了从己糖经糖酵解产生丙酮酸，随后进一步产生乙醇或乳酸的全过程。糖酵解中产生的2分子NADH用于乙醛或丙酮酸的还原作用。因此，葡萄糖经发酵作用产生乙醇的总反应式为：四、三羧酸循环　　在有氧条件下，己糖被彻底氧化成CO2和H2O，是细胞内糖分解产生能量的主要途径。前面已经讲述了糖经过磷酸化后氧化成丙酮酸的糖酵解过程。丙酮酸进入线粒体后，经氧化脱羧变成乙酰辅酶A（乙酰CoA）。乙酰CoA进入三羧酸循环（tricarboxylicacid cycle，TAC）彻底氧化。　　催化丙酮酸氧化脱羧反应的酶为丙酮酸脱氢酶。实际上该酶是由五种酶组成的多酶复合体，其中三种酶催化丙酮酸的氧化脱羧反应，而另外两种酶则调节前三种酶的活性。丙酮酸转化为乙酰辅酶A过程中，除了产生CO2外，脱出的两个氢原子被NAD+接受产生NADH（图2-4）。　　三羧酸循环又称柠檬酸循环（citric acid cycle）和Krebs循环。严格地说，三羧酸循环是从乙酰CoA与草酰乙酸缩合成含三个羧基的柠檬酸开始的。但为了叙述的方便，往往将丙酮酸氧化成乙酰CoA归入三羧酸循环加以讨论，如图2-4所示。柠檬酸经过一系列反应，一再氧化脱羧经α-酮戊二酸、琥珀酸再降解成草酰乙酸。参与这一循环的乙酰CoA的二个碳原子，经过循环后生成2分子CO2。三羧酸循环中，从有机酸中间产物脱出的电子转移到NAD+形成NADH，或转移到泛醌辅酶Q（UQ）形成UQH2。此外，由琥珀酰CoA转变为琥珀酸的反应中还形成1分子ATP。　　三羧酸循环最主要的功能如下：　　1.使NAD+和UQ还原成NADH和UQH2。这些电子供体进一步氧化产生ATP。　　2.直接合成ATP。每一分子丙酮酸氧化产生1分子ATP。　　3.三羧酸循环的中间产物为氨基酸合成提供碳骨架（详见本章第四节）。　　由糖酵解产生的2分子丙酮酸，经过氧化脱羧后进入三羧酸循环彻底氧化，总反应式可写成：　　2丙酮酸+8NAD++2UQ+2ADP+2H2PO4-+4H2O→　　6CO2+2ATP+8NADH+8H++2UQH2五、磷酸戊糖途径　　植物除了通过糖酵解和三羧酸循环使糖氧化成CO2和H2O而获得能量之外，还有另一条途径，称为磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PPP）或称为磷酸葡萄糖酸支路（phosphogluconate pathway）。磷酸戊糖途径存在于细胞质中，其反应过程见图2-5。　　磷酸戊糖途径的第一步反应是6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶的作用下氧化成6-磷酸葡萄糖酸内酯（反应1）。6-磷酸葡萄糖可以由淀粉的磷酸解作用产生的1-磷酸葡萄糖转变而产生，也可以由葡萄糖经己糖激酶作用产生，也可以直接来源于光合作用。6-磷酸葡萄糖内酯在内酯酶的作用下迅速水解成6-磷酸葡萄糖酸（反应2）。后者在6-磷酸葡萄糖脱氢酶的作用下氧化脱羧转变成5-磷酸核酮糖（反应3）。在反应1和3中，NADP+是电子受体。有别于糖酵解中以NAD+作为电子受体。在第4至第8个反应中，有关酶催化的反应是可逆的过程。5-磷酸核酮糖在异构酶（反应4）和表异构酶（反应5）的催化下转化成5-磷酸核糖和5-磷酸木酮糖。这些中间产物在转酮基酶（反应6和8）和转醛基酶（反应7）的作用下，产生3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖。糖酵解途径也产生这两种中间产物。由于细胞质中同时存在糖酵解和磷酸戊糖途径所需要的酶，因而由磷酸戊糖途径产生的3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖可以逆着糖酵解途径转化成6-磷酸葡萄糖，也可以进入糖酵解途径进一步被分解。磷酸戊糖途径最重要的功能有：1.NADPH的生成。NADPH的主要作用有两个方面，一是在线粒体中氧化产生ATP；二是参与某些依赖NADPH的生物合成反应，作为供氢体。2.4-磷酸赤藓糖的生成。这种化合物是大多数酚类化合物如花色素苷和木质素的重要合成前体。3.磷酸核糖的生成。它是核酸包括RNA和DNA合成所需的核糖和脱氧核糖的前体。由此可见，磷酸戊糖途径与糖酵解途径和三羧酸循环一样，对植物具有同等重要的作用。第三节 电子传递和能量转换一、电子传递系统　　线粒体中的NADH主要来源于下列反应过程：三羧酸循环、糖酵解和叶片光呼吸时甘氨酸的氧化作用。当NADH氧化时产生ATP，由三羧酸循环中琥珀酸脱氢酶催化产生的UQH2也可以氧化产生ATP。所有这些氧化过程都涉及到O2的吸收和H2O的产生。不过，无论是NADH或UQH2都不能直接将电子传递给O2而生成H2O。电子供体上的电子要将O2还原产生H2O，要经过几种中间化合物（载体），这些电子载体组成线粒体电子传递系统（electron-transport system）。在这个系统中，能量水平较高的电子经过不同的载体传递到能量较低的水平，最后电子（e）和质子（H2）结合氧形成水（图2-6）。电子载体以四种主要蛋白复合体的方式排列在线粒体的内膜上，每个线粒体存在几千个电子传递系统。　　线粒体电子传递系统的主要成分有：细胞色素（含铁的蛋白，包括4种cyt.b和2种cyt.c）、Fe-S蛋白、黄素蛋白（FP，含FMN或FAD）、辅酶Q（UQ，电子传递链中的非蛋白成员）和细脱色素氧化酶（包含有cyt.a和a3）。关于电子传递的途径，如图2-6所示为：内源NADH→FP（含FMN）→Fe-S蛋白→辅酶Q→cyt.b→Fe-S蛋白→辅酶Q→cyt.c1→c→a→a3→O2。在这个电子传递链上，Fe-S蛋白和细胞色素每次只传递1个电子，不接受质子。黄素蛋白和辅酶Q每次可接受2个电子和2个质子。因此，电子传递过程中辅酶Q和黄素蛋白从线粒体基质接受质子后不再往下传递，而是将质子传递到膜间腔。由于电子传递而引起H+的跨膜运转，建立起跨膜的pH梯度（基质的pH约为8.5，膜间腔pH接近7），进而推动ATP的合成。二、氧化磷酸化作用　　氧化磷酸化作用（oxidative phosphorylation），是指线粒体中NADH上的一对电子被传递到O2时，推动ADP磷酸化形成ATP的作用。Mitchell提出的化学渗透学说能较好解释电子传递与ATP形成的机制。可以将电子传递系统看作是一个质子泵，由此产生的质子电化学势梯度，推动ATP的合成（图2－7）。线粒体的ATP合成酶（F1－F0复合体）与叶绿体的ATP合成酶相似，具有小球体头部和柄部。头部嵌入内膜并伸入线粒体基质内，柄部则横跨内膜向外伸展到膜间腔。在基质的头部合成ATP后，ATP通过内膜上的反向运转体运到膜间腔，同时反方向运转ADP。线粒体外膜的透性较大，具有允许小于5kD的分子通过的通道。代谢物很容易通过线粒体外膜，ATP通过这些通道进入细胞质中。　　如图2－6所示，由线粒体基质内三羧酸循环产生的内源NADH＋H+首先将2个电子和2个H+传递给内膜内侧含FMN的黄素蛋白。黄素蛋白将电子传递给Fe-S蛋白。由于Fe－S蛋白不接受H+，所以2个H+以某种方式运送到膜间腔。这是电子传递链上跨膜转运到膜间腔的第一对质子。第二和第三对质子的跨膜运转是在UQ从Fe-S蛋白接受2个电子时，从基质中吸收2个H+还原成UQH2，Cyt.b或Cyt.c1只接受电子，2个H+被运送到膜间腔。最近的研究指出，Cyt.c被细胞色素氧化酶氧化时，伴随着一对H+从基质运到膜间腔。不过，具体机制还不清楚。　　从还原势（ψ0）来看，NADH的ψ0为-0.32伏，而O2为+0.82伏，总变化△ψ0为+1.14伏。在线粒体中，每氧化1mol由三羧酸循环产生的NADH释放220kJ的能量，4对H+由线粒体基质跨内膜运转到膜间腔，产生的pH梯度足够推动ATP合成酶合成3分子ATP。许多研究也表明，植物的离体线粒体每氧化一分子三羧酸循环NADH，产生3分子ATP。　　由糖酵解产生的NADH以及琥珀酸产生的UQH2的电子没有参与电子传递系统中产生第一对H+跨膜的过程（图2-6）。因而它们氧化时产生较小的pH梯度差异。植物线粒体还可以氧化戊糖磷酸途径产生的NADPH，电子传递途径与糖酵解NADH的相同。　　线粒体的氧化与磷酸化作用可以被一些解偶联化合物抑制。大多数解偶联剂通过运载H+进入线粒体基质而中和pH梯度。在这种情况下，电子传递仍然进行，甚至更为迅速。但ATP的合成则因缺乏质子驱动力而不能进行。如图2－7所示，线粒体膜间腔的质子由解偶联剂（如对三氟甲酰基羰基氰苯腙，简称FCCP）运转进入基质，而不再通过ATP合成酶。因此，解偶联剂抑制了ATP的合成。线粒体氧化磷酸化的解偶联剂还有羧基氰-m-氯苯腙（CCCP），和二硝基苯酚（DNP）等。　　除解偶联剂外，一些化合物对氧化磷酸化虽然不起解偶联作用，但却分别抑制电子传递和磷酸化过程。例如寡霉素通过抑制ATP合成酶的活性而抑制ATP合成。一些化合物通过抑制H+/Pi的同向运转体或通过抑制ADP/ATP以反向运转体的作用而阻碍ATP合成。电子传递链上也存在一些抑制剂，如鱼藤酮抑制电子由内源NADH向FP和Fe-S蛋白传递；抗霉素是细胞色素的抑制剂，可能阻碍电子由cyt.b向Fe-S蛋白或相邻的电子载体的传递；氰化物和一氧化碳则对细胞色素氧化酶具有抑制作用。三、抗氰呼吸　　大多数生物包括部分植物的有氧呼吸会被一些能与细胞色素氧化酶中的铁原子结合的阴离子强烈地抑制。这些阴离子中以氰化物（CN-）和叠氮物（N3-）最为有效。此外，一氧化碳（CO）也能与铁原子形成极强的复合物而阻碍电子的传递和毒害呼吸作用。但是对于一些植物组织，在细胞色素氧化酶抑制剂存在时呼吸作用仍然进行，这类抑制剂对呼吸作用的影响并不大。这时的呼吸作用称为抗氰呼吸（cyanide－reststantrespiration）。　　当细胞色素氧化酶活性受到抑制时呼吸作用仍然进行，这是由于抗氰线粒体的电子传递途径中存在一条较短的电子传递支路。这一分支起始于泛醌辅酶Q，经黄素蛋白至末端氧化酶。这个电子传递支路称为交替途径（alternative pathway），末端氧化酶称为交替氧化酶（alternative oxidase）。交替氧化酶对O2的亲和力很高。但相对细胞色素氧化酶来说，交替氧化酶对O2的亲和力稍低些。抗氰呼吸时很少或无氧化磷酸化作用。即主要是释放热量，而不是产生ATP。这些热量对于促进一些植物的授粉作用有一定的生理意义。例如，许多沼泽地带植物如天南星科植物在早春开花时，环境温度较低，通过抗氰呼吸放热，使花器官的温度大大高于环境温度，从而保证了花序的发育和授粉作用的进行（图2-8）。此外种子萌发初期的抗氰呼吸有促进萌发的作用。　　近年来已有人分离得到交替氧化酶，并对该酶的一些特性进行研究。在佛焰花序附属物存在下，交替氧化酶活性增加7倍，而正常电子传递途径（细胞色素途径）活性下降10倍。这种活性的改变迫使电子通过交替途径传递给O2，并产生大量热量。但是在植物体内交替途径与正常途径之间运作的比例如何，人们还不甚了解。许多的研究结果都是在加入CN-、N3-或CO使细胞色素氧化酶活性受到抑制的非自然情况下得到的，因而不能说明植物体内的真实情况。不过，可以肯定植物中交替途径是经常运行着的。例如，在经光合作用积累了大量糖分的细胞中，糖酵解和三羧酸循环进行得非常迅速，正常的电子传递途径不能处理供给过剩的电子。这时细胞中交替氧化酶活性达到最高。因此，有研究认为，糖酵解和三羧酸循环的迅速进行，使细胞色素途径电子传递呈饱和状态时，交替途径则通过流出机制运走那些过剩的电子。第四节 呼吸作用的生理意义　　植物呼吸作用的生理意义主要有两点：（1）呼吸作用产生的能量是许多其他生命活动过程的能源；（2）呼吸作用的中间产物是植物体内许多重要物质生物合成的原料。下面对这两方面分别讨论。一、糖酵解、三羧酸循环和电子传递系统的能量学　　在本章第一节中已提到，葡萄糖经有氧呼吸彻底氧化后产生的能量，部分以ATP的形式贮存起来，部分以热的形式释放。但是，这些能量中有多少贮存在ATP中，多少由热量散失了呢？要回答这个问题，需要回顾一下有关反应过程。在糖酵解中，每个己糖可产生2个ATP和2个NADH。因而糖酵解时每分子己糖可产生6个ATP。在三羧酸循环中，每分子己糖或2分子丙酮酸产生2分子ATP和8个NADH。这些线粒体内的NADH经氧化后，每个NADH可产生3个ATP，合计24个ATP。另外2个UQH2经氧化磷酸化后产生4个ATP。由此可见，三羧酸循环可产生30个ATP。这30个ATP加上糖酵解产生的6个ATP，即每个己糖经呼吸作用完全氧化共产生36个ATP。　　现在我们计算呼吸作用的能量转换效率。葡萄糖经呼吸作用后其中的能量有多少贮存在ATP中呢？1克分子葡萄糖或果糖完全氧化时的自由能变化（△G′0）为-2870kJ（-686千卡）。在呼吸终产物方面，只有ATP是可以利用的能量。每克分子ATP的末端磷酸水解的△G′0为-31.8kJ（-7.6千卡）。36molATP的末端磷酸水解的△G′0约为-1140kJ。因此，呼吸作用的效率为-1140/-2870，约为40％。其余的60％以热的形式散失了。二、植物呼吸作用的中间产物用于其它生物合成过程　　呼吸作用的许多中间产物被用作其他化合物合成的原料。这些化合物包括脂肪、蛋白质、叶绿素和核酸等。这些化合物的合成需要ATP，往往还需要NADH或NADPH。例如，在硝酸还原为亚硝酸时需要大量的NADH，这一过程明显依赖于线粒体的呼吸作用。　　在介绍磷酸戊糖途径时已强调这一途径的作用。图2-9是糖酵解和Krebs环产生的碳骨架被用于其他化合物合成的简图。从图中可见，呼吸作用过程并不是所有的原始底物（如葡萄糖）的全部碳原子都被氧化成CO2，而NADH或NADPH中的电子也并不全用在与O2结合形成H2O的过程。不过，由于大分子化合物的合成依赖于氧化磷酸化提供足够的ATP，肯定会有部分原始底物会被彻底氧化。　　此外，另一个重要问题是当三羧酸环中的有机酸被用于天冬氨酸、谷氨酸、叶绿素和细胞色素等化合物合成时，最后会造成草酰乙酸缺乏。因此，除非存在草酰乙酸的补充机制，否则有机酸的消耗很快会造成三羧酸循环停止运行。幸好在所有植物中，昼夜都有CO2（或HCO3-）在PEP羧化酶和苹果酸酶的作用下固定在草酰乙酸和苹果酸　　以上反应具有补充有机酸和维持Krebs环不断进行的作用，在植物的生长过程中是十分必需的。第五节 呼吸作用的生化调节　　植物的一切生理活动都是以物质和能量代谢为基础的。研究植物生命活动过程中的代谢变化及其调节是植物生理学的一个重要研究领域。代谢的调节实际上是对参与代谢过程酶的调节。酶的调节包括酶的合成和活性的调节。酶合成亦即酶蛋白基因的表达。从根本上讲，对酶的调节最终是对基因表达过程的调节。不过，到目前为止，从分子水平上研究呼吸酶的代谢调控的工作不多。本节主要介绍酶活性的调节问题。　　呼吸作用的各个代谢途径都有许多反应步骤，其中有少数步骤的酶起着关键作用。因此抓住关键酶或控制点（control Point）的调节就可以达到对整个途径的调节。例如，在糖酵解开始时，存在一个非常重要的控制点，这个控制点调控着细胞质中己糖进入呼吸代谢，或者用于合成贮藏碳水化合物或合成细胞壁成分。　　此外，细胞中ATP，ADP和Pi浓度对呼吸作用起着重要的调节作用。这种调节作用往往又是通过调节呼吸代谢的关键酶活性来实现的。ATP是底物彻底氧化时唯一重要产物，而ADP和Pi则控制着ATP合成的速度。细胞中ATP的浓度通常只在毫摩尔范围内，但ATP合成和利用的速度相当惊人！例如每毫克玉米根尖每天可以将5克ADP转化成ATP。细胞中ATP→ADP+Pi的反应每分钟可逆进行一次至数次。植物生长的物质合成需要大量的ATP，而ADP和Pi继而又被用来合成ATP。因此呼吸作用和生长相互依赖。即使停止生长的细胞也需要ATP来维持其生命活动。一、糖酵解的调节　　蔗糖、淀粉、和果聚糖等都是糖酵解底物的主要来源。降解这些寡糖的酶活性并不受呼吸底物或产物的调节。不过，某些激素（如赤霉素）可以诱导这些寡糖水解成己糖。通常己糖大量存在时，糖酵解和呼吸作用进行比缺乏己糖时更加迅速。　　ATP-磷酸果糖激酶（ATP-PFK）是糖酵解的关键酶，作用于糖酵解途径的第一步反应，催化果糖-6-磷酸形成果糖-1，6-二磷酸。这个反应阻止了果糖-6-磷酸用于合成蔗糖和淀粉的过程，起着控制整个糖酵解过程的作用。ATP-PFK受到一些代谢产物如ATP，磷酸烯醇式丙酮酸和柠檬酸的抑制。Pi，Mg2+、Na+和K+等离子促进该酶的活性。当细胞中ATP，PEP和柠檬酸水平较高时，ATP-PFK活性受到抑制，糖酵解途径速度下降，避免糖酵解产物过剩。相反，当细胞中ATP、PEP和柠檬酸减少而Pi水平增加时，促进ATP-PFK活性提高，使糖酵解速度加快。有实验表明ADP和AMP对该酶有一定的抑制作用，这种抑制作用目前难以解释。　　在植物体中，果糖-6-磷酸转化为果糖-1，6-二磷酸的另一途径是由焦磷酸-磷酸果糖激酶（PPi-PFK）催化的。该酶同样是糖酵解的关键酶，植物体内的果糖-2，6-二磷酸是PPi-PFK的活化剂。果糖-2，6-二磷酸还抑制果糖-1，6-二磷酸酯酶的活性，该酶催化果糖-1，6-二磷酸水解成果糖-6-磷酸。这种抑制作用有利于果糖-1，6-二磷酸的形成和糖酵解的进行。糖酵解的这些调节关系可以用图2—10来表示。如果糖酵解占优势，则蔗糖的形成受到抑制，因为这两个过程竞争共同底物果糖-6-磷酸。这种竞争可能是决定蔗糖是用于呼吸还是运往植物其他部分的控制机制。这种竞争依赖于果糖-2，6-二磷酸的迅速变化水平。细胞质中果糖-2，6-二磷酸通常含量在1～10μmol/L之间。　　糖酵解途径中的丙酮酸激酶，长期被认为是糖酵解的关键酶。该酶催化PEP转化成丙酮酸。ATP，柠檬酸抑制该酶活性，而ADP促进其活性。此外，Ca2+抑制丙酮酸激酶活性，而K+和Mg2+则为该酶的活化剂。　　除了上述关键酶之外，细胞中NAD+/NADH比值也是糖酵解的重要调节因子。NAD+是糖酵解的重要底物，而NADH为糖酵解的产物。由于O2在NADH氧化产生NAD+中的重要作用，因而植物组织在有氧条件下，细胞质中NADH缺乏，有利于糖酵解的进行。NAD+/NADH比值的调节常常归结为氧浓度的调节。这种氧抑制酒精发酵的现象叫巴斯德效应（Pasteur effect）。二、线粒体呼吸作用的调节　　1.ADP对线粒体呼吸作用的调节　　线粒体呼吸作用包括三羧酸循环、电子传递系统和氧化磷酸化。在这三个互相依赖的过程中，存在着许多控制点，线粒体中ADP浓度是直接的调控因子。ADP浓度高时，氧化磷酸化的电子传递加速，而三羧酸循环速度更快。由此可见，线粒体呼吸速率高低取决于线粒体中产生的ATP向外运输至细胞质，ATP在那里被用于生物合成过程转变成ADP，以及ADP运进线粒体基质等一连串代谢活动的能力。在生长迅速的器官组织或细胞中，呼吸作用加强。其中一个主要原因是生长迅速时许多需能反应中需要将大量的ATP水解成ADP。ADP的调节作用，除了作为氧化磷酸化的底物外，对于三羧酸循环的许多关键酶还有重要的活化作用。　　2.三羧酸循环关键酶活性的调节　　三羧酸循环的关键酶有丙酮酸脱氢酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶。其中又以丙酮酸脱氢酶特别重要。　　丙酮酸脱氢酶是一个十分重要的关键酶。该酶是由五种酶组成的多酶复合体。其中二种酶调节另外三种酶的活性。这两种起调节作用的酶中，一种是磷酸激酶，一种是磷酸酯酶。磷酸激酶利用ATP作磷酸供体，使丙酮酸脱氢酶上某一部位的苏氨酸残基上的羧基发生磷酸化作用，导致酶活性迅速钝化，使得三羧酸循环停止运行，磷酸酯酶与激酶的作用相反，它水解苏氨酸残基上的磷酸，重新活化丙酮酸脱氢酶，使丙酮酸的氧化继续进行。因此，当线粒体中ATP水平高而且磷酸激酶又处于活化状态时，三羧酸循环速度减慢以减少ATP的形成。直至丙酮酸脱氢酶上的磷酸脱去，三羧酸循环速度才会增加。调节丙酮酸脱氢酶的加磷酸（失活）和脱磷酸（活化）作用的重要因子是线粒体中丙酮酸的浓度。当丙酮酸浓度高时，使该酶脱磷酸而保证更高的活性，加速三羧酸循环的进行。　　线粒体的柠檬酸合成酶活性受ATP抑制。但当乙酰辅酶A浓度增加时，ATP的抑制作用减弱。异柠檬酸脱氢酶受ATP和NADH抑制，而AMP，ADP，柠檬酸和异柠檬酸却可以促进酶活性的提高。NADH和ATP均能抑制苹果酸脱氢酶的活性，而草酰乙酸也表现出一定的抑制作用，这是终点产物的反馈抑制。三、戊糖磷酸途径的调节　　PPP途径的关键酶是催化第一步反应的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。该酶受到NADPH的抑制。由于该酶需要NADP+作底物，因而任何促使NADPH转化为NADP+的反应过程均可加速PPP途径的进行。例如，电子传递链NADPH的氧化作用和生物合成过程都消耗NADPH，均可促进PPP途径进行。四、pH的调节作用　　pH对植物的酶促反应具有调节作用。细胞中每一种酶都具有最适的pH值和最适pH的微环境。即使是pH的微小变化，都会导致酶促反应速度的强烈改变。由于生物膜对H+的不透性，使pH分布的不连续性成为可能。事实上，质子梯度除推动线粒体物质运转外，还推动ATP的合成。在一种固定的pH中，许多代谢过程的速度是相互调节和相互关联的。因此，pH改变了，可以估计到代谢途径间的相互平衡也会相应地变化。不过，关于酶的pH微环境和各种酶之间的相互作用仍然知之甚少。表2—1列举了几种呼吸酶的最适pH。其中有两种极端的情况，如苹果酸脱氢酶的最适pH为9.5，而NAD-苹果酸酶为6.7～6.9，表中酶的最适pH只是一个特定的pH，代表最大反应速率时pH。但当底物浓度改变时，最适pH也会改变。因而，在植物线粒体中，pH如何调节酶促反应过程仍然是一个相当复杂的问题，有待深入认识。第六节 影响呼吸作用的因素　　前面我们对呼吸作用中各种代谢途径的生化调节进行了讨论。外界环境因素（指呼吸作用系统以外的因素）对呼吸作用的影响又如何呢？影响呼吸作用的环境因素主要有底物、氧气、温度、植物的类型和年龄等，下面分别作简单介绍。一、底物供应　　呼吸作用依赖于底物供应。处于饥饿状态的植物，由于体内淀粉、蔗糖、果聚糖的含量较低，因而呼吸速率也较低。缺糖植物在供给糖后其呼吸作用加快。同一植株下部阴蔽叶片的呼吸速率低，而上部受光充足的叶片呼吸速率也高。同一叶片，早上太阳初升时呼吸速率比日落时低，这是由于日落时叶片糖含量较高的缘故。当植物的饥饿继续进行时，蛋白质会被用作呼吸底物。首先是蛋白质降解为氨基酸，这些氨基酸再参与糖酵解和三羧酸循环。其中谷氨酸和天冬氨酸分别转化为a-酮戊二酸和草酰乙酸，丙氨酸转化为丙酮酸。当叶片衰老时，叶绿体中大部分蛋白质和含氮化合物便被分解，其中的NH4+会很快转化到谷酰胺和天冬酰胺中，运往植物的其他部分。二、氧供应　　O2供应影响呼吸作用会因为不同植物或不同组织器官而程度不同。正常情况下，大气中氧浓度的差异很小，不足以影响到茎、叶的呼吸作用。进入茎、叶和根的O2量通常足够维持线粒体的正常呼吸的进行。　　一些块茎植物的根（如胡萝卜、马铃薯以及其他贮藏器官），虽然其内部的呼吸速率较低，但仍然进行着有氧呼吸。在这些器官和组织中，细胞与细胞之间存在着细胞间空气间隙。如马铃薯的细胞间空气间隙占块茎体积的1％。不同种类植物根通常具有2％～45％的细胞间空气间隙。只有结构严密的木质部薄壁组织细胞和分生组织细胞不存在这种细胞间空气间隙。禾本科植物从叶至根存在细胞间空气连通系统，可以将O2和其他气体从叶片经过茎运至根部。因此它们比其他植物更能耐涝。不过，对所有植物，长时间的水浸均会引起毒害。根在低氧条件下，加速糖酵解和发酵过程。缺氧严重时，ATP供应不足，许多代谢平衡遭到破坏。例如，根部产生的细胞分裂素向茎叶运输受阻，矿质吸收受到抑制，叶卷曲使光合作用减少，水分进入根的透性下降，根际有害物质积累等。三、温度　　对于大多数植物，当温度在5～25℃时，呼吸作用的温度系数Q10通常为2.0～2.5之间。当进一步将温度增加至30℃或35℃时，呼吸速率还会增加，但增加速度减慢。说明温度系数开始下降。温度对呼吸作用的影响主要在于对酶活性的影响。当温度增加到40℃并保持较长时间时酶开始变性。例如豌豆幼苗从25℃增加到45℃时，起初呼吸增加，但2小时后开始下降。呼吸酶变性是呼吸作用下降的主要原因。四、植物的类型和年龄　　由于各种植物形态上存在许多差异，因而代谢上存在差异也是完全有可能的。通常，细菌、真菌和许多藻类的呼吸作用速率相对快些。高等植物中不同器官的呼吸也存在着差异。造成这些差异的原因很多。其中一个原因是细菌、真菌和藻类的干重体积比要比高等植物的高得多。因为前一类生物只含少量的贮藏物质和不存在无代谢功能的木质细胞。在高等植物中，根尖和分生组织细胞以干重为单位计算时，其呼吸速率也比其他组织或器官高。但若以可溶性蛋白质为单位计算时，各种细胞和器官的呼吸速率差异不大。细胞的生长速率与呼吸速率之间存在密切关系。很显然，细胞生长需要的蛋白质第三章 光合作用　　第一节 光合作用的意义和早期研究历史一、光合作用的意义　　植物利用光能将二氧化碳和水等无机物合成有机物并放出氧气的过程，称为光合作用（photosynthesis）。通常以下式表示：　　式中（CH2O）代表合成的以碳水化合物为主的有机物。在这个反应中CO2是碳的最氧化状态，而（CH2O）则是碳的较还原状态，所以通过反应后，CO2被还原了；反之，水中的氧是一种还原状态，O2则是一种氧化的状态，水通过反应被氧化了。所以，整个光合作用就是一种氧化还原反应。在这个过程中，水被氧化为分子态氧，CO2被还原到糖的水平，同时发生日光能的吸收、转化和贮藏。　　用18O示踪的实验已经充分证明，光合作用所释放的O2完全是来自水。因为用18O标记的水进行实验，所放出的O2完全是18O2；而用18O标记的CO2进行实验，在短期内所放出的O2又完全没有18O。所以光合作用的反应式又可以写成：　　光合作用所利用的能源，实际上是取之不尽用之不竭的日光能，所利用的原料是广布于地球表面的CO2和H2O，所以绿色植物在生物界中，数量上占有绝对优势。大规模绿色植物的分布及其作用对整个生物世界具有极其重要的意义：　　（1）把无机物转变成为有机物。植物通过光合作用制造有机物的规模是非常巨大的。据估计，地球上的自养植物每年约同化2×1014kg碳素，其中40％是由浮游植物同化的，60％是由陆生植物同化的。这些有机物可直接或间接作为人类或全部动物界的食物（如粮、油、糖和牧草饲料、鱼饵等），也可以作为某些工业的原料（如棉、麻、橡胶等）。　　（2）把太阳能转化为化学能。光合作用是地球上唯一大规模地将太阳能转变成可贮存的化学能的生物学过程。据估计，自养植物每年通过光合作用所同化的太阳能为3.2×1020能量（1970年全世界能量消耗是3×1021，仅为光合作用贮藏能量的10％），是一个规模巨大的能量转换站。世界能量供销与光合作用的关系如表3—1。　　（3）维持大气中O2和CO2的相对稳定。微生物、植物、动物等全部生物，在呼吸过程中吸收O2和呼出CO2；燃料燃烧和火山爆发等也大量地消耗O2和排出CO2；使大气中O2的含量减少，CO2的浓度增高。只有绿色植物的光合作用才利用CO2和产生O2，使得大气中的O2和CO2含量相对稳定。图3－1表明植物光合作用在维持大气中O2和CO2含量相对稳定中的作用。　　（引自殷宏章，1979）　　光合作用形成的有机物质及其中所固定的太阳能是地球上无数生物赖以生存的基础，也是无数可再生资源的源泉。人们栽培作物、果树、蔬菜、树木和牧草的目的都在于获得更多的光合产物，因此光合作用便成为农业、林业生产的核心，各种农（林）业生产的耕作制度和栽培措施，都是为了直接或间接地调节光合作用。目前世界范围内要迫切解决的粮食问题、能源问题和环境问题都与光合作用密切相关。因此，深入研究光合作用的机理，对于充分利用太阳光能，以至模拟光合作用来人工合成食物等都具有重大意义。二、光合作用的早期研究历史　　18世纪初期以前，科学家们相信植物是从土壤中获得它所含有的全部元素。1727年黑尔斯（Hales）提出，植物的部分营养元素来自于大气，光也以某种方式参与了营养元素的获得过程。当时还不知道空气含有不同的气体成分。　　1771年，普里斯特利（PriestlyJ，英国牧师和化学家）发现绿色植物能够更新被动物呼吸所污染的空气，这个过程与O2有关。后来荷兰的医生印根胡兹（IngenhouszJ）证实污染空气的净化需要光，植物在黑暗中也会把空气污染。　　1782年，森尼别（SenebierJ）证明了动物和植物在黑暗中产生的有害气体促进植物在光下产生“净化空气”。到这个时候就已证明了有两种气体参与光合作用。拉瓦锡（Lavoisier）和其他人的工作证明这两种气体实际上是CO2和O2。1804年，德.索苏尔（deSaussareNT）对光合作用进行了第一次定量测定，并提出了水的作用。他发现植物在光合作用过程中获得的干重大于它所吸收的CO2减去它所释放的氧气的重量。他认为这种差异是由于水的吸收所引起的。他还注意到，在光合作用过程中CO2和O2大约以相等的体积被交换。　　1864年，萨克斯（SachsJ）观察到只有在照光的叶绿体中淀粉粒才会增大，也只有在曝光的叶片中才能检测到淀粉。至此，光合作用的总反应就被阐明了。第二节 叶绿体及其色素一、叶绿体的结构　　叶片是进行光合作用的主要器官， 而叶绿体（chlorop last）是光合作用的重要细胞器。从绿藻到高等植物的绿色细胞都含有叶绿体。叶绿体是从前质体发育而成。通常，前质体是由未受精的卵细胞衍生而来，精细胞与前质体的形成无关。当胚发育时前质体进行分裂；当叶片和茎形成时，前质体发育成为叶绿体。幼叶绿体也能进行分裂，特别是含有幼叶绿体的器官曝光时，分裂更为迅速，所以每个成熟的叶细胞通常含有几百个叶绿体。　　在光学显微镜下可以看到，高等植物的叶绿体大多数呈椭圆形，一般直径为3～6μm，厚约2～3μm。据统计，每平方毫米的蓖麻叶就含有3～5×107个叶绿体。这样叶绿体的总表面积就比叶面积大得多，因而对太阳光能和CO2的吸收利用都有好处。　　图3—2是燕麦叶的叶绿体亚显微结构。每个叶绿体由被膜、基质和内膜系统组成。　　叶绿体被膜（chloroplast envelope）分两层。外层厚65 ，是非特异离子扩散膜，低分子物质如无机盐、核昔酸和蔗糖等都可以较快地透过。而高分子物质如糊精就不能透过。内膜是厚约85 的类脂—蛋白质组成的生物膜，对离子有低渗透性，所以对物质透过就有一定的限制。外膜和内膜之间有10nm距离的电子半透明区。　　叶绿体基质（chloroplast stroma）电子密度较小，呈无定形的凝胶状，含有转换CO2成为碳水化合物特别是淀粉的酶系统。在电镜下还可见许多微粒结构，包括DNA纤丝、核糖体、淀粉粒和亲锇颗粒等。叶绿体DNA以双链超螺旋环的形式存在，在基质中可进行转录和翻译作用。　　叶绿体片层膜系统（lamella membrane system of chloroplast）是由基质类囊体与基粒类囊体相互连接而成的三维空间网状结构，贯穿在整个基质中（图3—3）。类囊体（thylakoid）是由两层厚约7nm的膜组成的扁平囊，含有色素，以及内有一个腔（lumen），充满着水和溶于水的盐。通常由10～100个类囊体垛叠成基粒（granum）。　　基粒的直径约为0.3～2μm。组成基粒的类囊体称为基粒类囊体（grana thylakoid），也称基粒片层（grana lamella）。一个基粒类囊体与另一个类囊体接触的区域称为紧贴区域（appressed region），不与其他类囊体接触的区域称为非紧贴区域（nonappressed region）。没有发生垛叠的类囊体称为基质类囊体（stromathy lakoid），也称基质片层（stroma lamella）。基质类囊体是把一个基粒与另一个基粒相连接的长形类囊体，贯穿在整个基质中。它们经常延伸成为和构成一个或多个基粒的组分。这样基质类囊体与基粒类囊体就形成了一个三维空间网状结构（图3—3）。　　　关于类囊体膜的结构，根据冰冻撕裂的研究和X-衍射的分析，可以认为类囊体膜并不是对称的。膜由脂质双分子层组成，其中埋藏着许多大小不同的蛋白质分子（图3-4）。　　不同植物或同一植物不同部位的叶绿体内基粒的类囊体数量不同。例如，烟草叶绿体的基粒有10～15个类囊体，玉米则有15～50个；同是冬小麦，基粒类囊体数目随叶位上升而增多，至旗叶达到高峰。　　叶绿体的含水量为75％～80％，其干物质中30％～50％为蛋白质，20％～30％为脂类物质（包括色素），色素约占叶绿体干重的8％。叶绿体片层膜中的脂类物质，除负责吸收光的色素外，重要的是糖脂，其次是磷脂和硫脂。叶绿体中的糖脂为半乳糖与甘油双酯形成的化合物。磷脂主要是磷脂酸类的衍生物，如图3-5中的磷酯酰甘油。硫脂实际上是被硫酸酯化的糖脂。图3-5为叶绿体片层膜中几种脂类的结构式。关于叶绿体中的蛋白质和色素将在下面相应部分进行讨论。二、叶绿体色素　　（一）叶绿体色素的化学特性　　叶绿体色素有三类：（1）叶绿素，主要包括叶绿素a和叶绿素b；（2）类胡萝卜素，其中有胡萝卜素和叶黄素；（3）藻色素。类囊体膜中含有叶绿素和类胡萝卜素，叶绿体被膜中只含有一些类胡萝卜素（特别是紫黄质，叶黄素的一种，不含叶绿素）。　　1.叶绿素　　叶绿素（chlorophyll）中主要有叶绿素a和叶绿素b。叶绿素a的分子式为C55H72O5N4Mg，叶绿素b的分子式为C55H70O6N4Mg，其结构式见图3—6。这两种色素差别很小，叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色。它们在结构上的差别，仅在于1个-CH3被1个-CHO所取代。　　叶绿素a和b都是卟啉化合物，即都是由4个吡咯环组成的1个大环。这个大环中有一整套共轭双键，也就是1个大π键。在这个卟啉环中央有1个镁原子。镁与4个氮原子的距离是相等的。叶绿素所以是绿色，主要就是由这个卟啉环中的π电子和Mg所决定的。　　叶绿素a和b都是1个双羧酸的酯，1个羧基为甲基所酯化，另1个羧基为叶醇基所酯化。所以叶绿素可以发生皂化反应：　　叶绿素a和b中的卟啉环是亲水的，但其上所带的叶醇基的“尾巴”都是亲脂的。叶醇是1个由4个异戊二烯单位所组成的双萜，是1个亲脂的脂肪族链。这个“尾巴”的存在决定了叶绿素分子的脂溶性。　　叶绿素分子中卟啉环的大小为（15 ）2，叶醇基长为20 。卟啉环中的镁原子可为H+，Cu2+，Zn2+等离子所取代，当镁被铜或锌取代后，仍可保持绿色。绿色的新鲜植物标本的保存就是利用这一原理，即用醋酸铜溶液处理绿色的新鲜植物标本。　　叶绿素不溶于水，仅溶于酒精、丙酮、乙醚、乙烷等有机溶剂中。　　2.类胡萝卜素　　类胡萝卜素（carotenoid）是指由40个碳原子组成的化合物。其中胡萝卜素（carotene）是碳氢化合物，叶黄素（xanthophyll）是含氧的化合物。图3－7为β-胡萝卜素和叶黄素的结构式，这是在绿色叶子中主要的黄色色素。β-胡萝卜素是由8个异戊二烯单位所组成的一种四萜，含有一系列共轭双键，因此它呈橙黄色。叶黄素则是含有2个醇基的四萜，呈黄色。　　叶黄素的溶解性质与叶绿素类似。胡萝卜素仅溶于己烷、石油醚等非极性溶剂中。　　3.藻色素　　藻色素（phycochrome）仅存在于红藻和蓝藻中，主要包括藻红素（phycoerythro-bilin）和藻蓝素（Phycocyanobilin）。藻红素呈红色，藻蓝素呈蓝色。藻色素类均溶于稀盐溶液中，都是色蛋白，即是由蛋白质和红色或蓝色的辅基（生色团）所组成的复合蛋白质。辅基和蛋白质结合得相当牢固，只有用强酸水解时，才能将它们分开。藻红素和藻蓝素的辅基，都是由4个吡咯环联成一串组成的。图3—8为一种藻红素（或称藻红蛋白）和一种藻蓝素（或称藻蓝蛋白）生色团的结构式。每一个藻蓝蛋白或藻红蛋白分子中不只含有1种辅基，一个藻蓝蛋白分子中至少有8个辅基。　　所有的叶绿素和绝大部分类胡萝卜素都被埋藏在类囊体内，通过非共价键与蛋白质分子相连。全部叶绿体色素大约相当于类囊体膜脂质含量的一半，而其他的一半主要由半乳糖脂和少量的磷脂组成。　　（二）叶绿体色素吸收光的原理　　1.光吸收的基本原理　　光是一种电磁波（electromagnetic spectrum），具有波的性质和粒子的性质。光在光合作用中起作用的仅仅是具有可见光波长辐射能的部分（大约390～760纳米[nm]），是电磁波中非常狭窄的区域。光的粒子性质通常用量子（quanta）或者光子（photons）来表示：不连续的能级，具有特定的波长。每个光子的能量与其波长成反比。它们的关系为：E=Nhv=Nhc/λ　　式中E为能量，以焦耳（J）为单位；N为亚伏伽德罗（Avogadro）常数，6.02×1023；h为普郎克（Planck）常数，6.6255×10-34Jsphoton-1；c为光速，3.0×108ms-1；λ为波长。当λ为660nm（6.6×10-7m）时，光子的能量为181kJmol-1；当λ为450nm（4.5×10-7m）时，光子的能量为266kJmol-1。所以紫色和蓝色波长的光子比橙色和红色波长的光子具有较高的能量。　　光吸收的基本原理，通常称为斯坦克爱因斯坦定律（Stark Einstein Law），是指1个分子1次只能吸收1个光子，这个光子仅引起1个电子激发。处于稳定基态轨道的电子被激发后，电子被驱动离开正电荷中心的距离等于吸收光子的能量（图3—9）。然后，色素分子处于激发态，是这种激发能用于光合作用。　　叶绿素和其它色素只能维持激发态非常短的时间，通常是10-9秒（毫微秒）或者更短。如图3—9所示，当电子回到基态时，激发能能以放热的形式全部丧失；一些色素包括叶绿素丧失激发能的另一种方式是通过放热与荧光结合；根据光合作用的能量，蓝光总是比红光的效率低，原因是用蓝光激发后，叶绿素中的电子总是通过放热，非常迅速地衰退到较低的能级；当红光被吸收后较低能量的红光产生的能级没有热的释放。从这个较低的能级，或者继续放热，产生荧光；或者进行光合作用。　　光合作用需要各种色素，将被激发电子的能量转移到聚集能量的色素反应中心。图3—9表明，被激发色素分子的能量能通过诱导共振（inductive resonance）以激子转换（exciton transfer）的方式传递到邻近的色素分子，再传递到另1个色素分子，直到最后传递到1个叶绿素a反应中心。能量可以在相同色素分子之间传递，也可以在不同色素分子之间传递。能量传递效率很高，类胡萝卜素所吸收的光能传给叶绿素a的效率达90％以上，叶绿素b和藻色素所吸收的光能传给叶绿素a的效率接近100％。能量的传递速度很快，1个寿命为5×10-9秒的红光量子在叶绿体中可以把能量传递过几百个叶绿素a分子。　　2.叶绿体色素的吸收光谱　　当叶绿体色素被提取和纯化后，就可以用分光光度计来测定纯化色素对各种波长光的相对吸收。色素溶液随波长改变而发生光吸收变化的图谱叫做吸收光谱（absorp-tionspectrum）。图3-10为叶绿素a和叶绿素b在乙醚中的吸收光谱。从图中可以看出，叶绿素a和b的吸收光谱都各有2个主要的吸收峰，1个在蓝光区，l个在红光区。以乙醚为溶剂时，叶绿素a的2个吸收高峰的位置是430nm和660nm，叶绿素b的2个吸收高峰在435nm和643nm。叶绿素的2个吸收高峰中，蓝紫区域内的高峰为所有的卟啉化合物所共有，只有红光区域中的吸收高峰为叶绿素所特有。　　胡萝卜素类吸收蓝光，例如β-胡萝卜素（己烷为溶剂）的3个吸收峰为430，450和480nm。图3-11为β-胡萝卜素和叶黄素的吸收光谱。　　藻色素主要吸收绿、橙光。藻蓝素的吸收光谱最大值是在光谱的橙红部分，而藻红素是在绿色部分。　　3.绿色植物光合作用的作用光谱　　作用光谱（action spectrum）是指不同波长的光所引起的光合作用的多少。如果以氧的释放作为光合作用强度的指标，那么作用光谱的测定就是要知道不同波长的光所能引起的氧释放的数量。图3-12描述了22种作物的作用光谱。作用光谱的测定有助于鉴定参与的色素，因为作用光谱常常和参与的色素的吸收光谱密切相关。　　　与纯化的叶绿素和类胡萝卜素比较，绿色和黄色光对种子植物光合作用的影响，以及植物叶片对这些波长光的吸收都较高。此外在叶片中类胡萝卜素对光的吸收从光谱的蓝光部分向绿光移动，在大约500nm绿光区域的光合作用是由于类胡萝卜素的吸收引起的。两种叶绿素在蓝光区域的光吸收仅表现出小的移动，但叶绿素a在红光区域的吸收却出现一些变化。第三节 光合作用的机理一、爱默生增益效应：两个光反应系统　　爱默生（Emerson R）及其同事在研 究不同藻类的光合作用的作用光谱时发现，小球藻光合作用最有效的光是红光（波长为650～680nm）和蓝光（40～460nm）。当作用光的波长超过了680nm时，虽然叶绿素也吸收了这些波长的光，但光合作用的量子产量①会显著下降（图3-13），这种现象称为红降（red drop）。如果在这种长波红光下，再添加一些波长较短的光，则量子产量大增（图3-14），比这两种波长的光单独作用的总和还要多。这两种波长的光协同作用而增加光合效率的现象，称为爱默生增益效应（Emerson enhancement effect）。　　可以认为增益效应是长波红光起辅助较短波长光的作用，或者是较短波长的光起辅助长波红光的作用。现在人们已认识到在光合作用中有2个色素系统或者光系统在协同作用。长波红光被一个光系统，称为光系统Ⅰ（photosystem Ⅰ，PSⅠ）所吸收。第二个光系统，称为光系统Ⅱ（photosystem Ⅱ，PSⅡ）吸收波长短于690nm的光。2个光系统吸收的光必须共同发挥作用才能达到最大光合作用速率。爱默生的贡献就是提出了2个不同光系统的存在。二、类囊体的四种主要复合物　　（一）光系统Ⅱ（PSⅡ）　　PSⅡ主要由核心复合体、放氧复合体和捕光复合体组成。PSⅡ主要存在于基粒类囊体的紧贴区域（图3-3），基粒的非紧贴区域和基质类囊体具有极少的PSⅡ。PSⅡ的功能主要是利用光能和来源于水的电子使氧化的质体醌（plastoquinone，PQ）还原为还原的氢醌（reduced hydroquinone，PQH2）。　　1.PSⅡ的核心复合体　　PSⅡ核心复合体（core complex）由6种以非共价键相互连接的内在多肽组成。这些多肽由叶绿体基因组编码。PSⅡ核心复合体中，中央交叉的两个32kD多肽是D1和D2亚基，其中包含着原初电子供体Z，反应中心色素P680，原初电子受体去镁叶绿素（Pheophytin，Pheo），QA，QB和Fe原子。D1亚基是PSⅡ次级电子受体QB的载体蛋白，也是除草剂的结合部位，它可被敌草隆等除草剂结合而阻断电子从QA向QB传递；CO2浓度对光合电子传递的抑制效应和光抑制作用，其作用部位都在QB上。两条细长的多肽结合着细胞色素b599。47kD和43kD亚基为叶绿素结合多肽。此外还有一条9kD或10kD的多肽，其作用可能与叶绿素的运输有关（图3-15）。PSⅡ核心复合体还含有大约40个叶绿素a分子和几个β胡萝卜素分子，以及一些膜脂（主要是半乳糖脂）。　　2.放氧复合体　　放氧复合体（oxygen-evolving complex[OEC]）位于类囊体膜腔的表面，PSⅡ的氧化侧，由3个分子量分别为33，24和18kD的外在多肽（由核基因编码）及与放氧有关的锰复合物、氯和钙离子组成。3个多肽松弛地结合在PSⅡ复合体的外界，像一个屏障遮盖着锰复合物。它的功能是水裂解放氧。　　3.PSⅡ捕光复合体　　PSⅡ核心复合体中的P680接收通过诱导共振来自大约250个叶绿素a和叶绿素b（大约以相等的数量存在）和许多叶黄素分子的光能。这些色素分子存在于PSⅡ捕光复合体（PSⅡ light harvesting complex，LHCⅡ）中。每个色素分子与1个内在蛋白相联系，每个蛋白分子大约与10个叶绿素和2个或者3个叶黄素分子相连接。它们的功能是起天线系统（antenna system）的作用，吸收光能并传递激发能给P680。LHCⅡ中的所有蛋白质可能都是由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成，然后被转运到叶绿体和类囊体。　　（二）细胞色素b6-细胞色素f复合物　　这个复合物简称细胞色素b6-f（cytb6-f），由4种不同的内在多肽组成，其中3种多肽含有铁。在电子流动过程中，铁能进行氧化还原反应。1种多肽是含有细胞色素b6，另1种多肽是含有细胞色素f。每个细胞色素含有1个血红素辅基的铁原子。第3种多肽是具有2个非血红素铁原子的蛋白质。每个铁原子与2个非蛋白质的硫原子和2个蛋白质中的半胱氨酸残基上的硫原子相连接。这个多肽是一种铁硫蛋白（iron-sulfur protein，2Fe-2S-protein）。第4种多肽不含铁原子，其功能不清楚。2Fe－2S多肽的基因是在核中，而其它3种多肽的基因是在叶绿体中。　　Cytb6-f复合物在基粒和基质类囊体中大约以相等的数量存在。它的主要功能是把电子从PSⅡ传递到PSⅠ。　　（三）光系统Ⅰ（PSⅠ）　　大麦PSⅠ核心复合体含有11种多肽，分子量范围是1.5～82kD。其中6种多肽是由核基因编码，5种多肽由叶绿体基因编码。2个最大的多肽（每个大约为82kD）被称为Ia和Ib。它们非常类似，被紧密地结合在类囊体膜中（图3－15）。Ia和Ib多肽结合反应中心P700和电子载体A0，A1和X。A0是1分子叶绿素a，A1是叶绿醌（维生素K1），X（FeSx）是一个具有4Fe-4S中心的铁-硫基。还有两个铁硫基（Fesa，FeSb），每个含4Fe-4S中心，与9kD的多肽相连接。所有这些Fe-S中心，尽管含有4个Fe，但每次只能获得（通过1个Fe3+）和传递（通过1个Fe2+）1个电子。　　PSⅠ核心复合体还结合着大约50～100个叶绿素a分子和一些β-胡萝卜素分子。在核心复合体周围有光捕获天线色素系统，被称为LHCⅠ，由大约100个叶绿素a和b（比例4∶1）分子与蛋白质结合而成。LHCⅠ吸收的光能通过诱导共振传递给P700作用中心。　　PSⅠ定位在基质类囊体和基粒的非紧贴区域。它们的功能是作为一个依赖于光的系统，氧化还原的质体蓝素（plastocyanin，PC），并把电子传递给铁氧还素（Ferredoxin）。　　（四）ATP合酶或者偶联因子　　在类囊体中最后知道的复合物是一组把ADP和无机磷酸（Pi）转化成为ATP和水的多肽。这个复合物被称为ATP合酶（ATP synthase）或者偶联因子（coupling factor），它把ATP的形成偶联到电子和H+跨类囊体膜的传递。它象PSⅠ一样仅仅存在于基质类囊体和基粒类囊体的非紧贴区域。　　ATP合酶由两个主要部分：柄（stalk，也称为CF0）和球（spherical，或者帽子[headpiece]，也称为CF1）组成。图3－16为ATP合酶的结构模型。CF0跨类囊体膜从类囊体腔延伸到基质。它有4个分子量为15，12.5，8和20kD的亚基，分别称为亚基Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ。亚基Ⅲ的6个多肽构成传导质子的通道。亚基Ⅱ调节亚基Ⅲ的结构。亚基Ⅰ可能具有连接CF0和CF1的功能。而亚基Ⅳ的功能不清楚。　　CF1存在于基质中，由α，β，γ，δ和ε5种亚基所组成。表3－2描述了CF1各亚基的化学组成、分子量和可能的功能。　　ATP合酶的9种亚基中，α，β，ε，Ⅰ，Ⅲ和Ⅳ亚基由叶绿体基因编码；γ，δ和Ⅱ亚基由核基因编码。三、水的光氧化闪光诱导动力学研究发现，氧释放量伴随有4个闪光周期性的摆动。为了解释这一现象，Kok提出了4个S状态循环的模式，说明需要积累4个氧化当量才能完成水分子裂解放氧。图3-17为水的光氧化模型。图中S0，S1，S2……表示不同的氧化还原状态，hv表示光量子。从S0→S4的每一个状态都丧失1个电子，到S4时共积累了4个正电荷。S4从2分子水中获得4个电子回复到S0状态。每循环1次吸收4个光量子，氧化2分子水，向PSⅡ反应中心传递4个电子，释放4个质子和1分子氧。这种循环也称为水氧化钟（water oxidizing clock）。当光能被传递到PSⅡ反应中心P680时，P680被氧化为P680+。P680+（可能间接地通过D1多肽中的酪氨酸）从S0，S1，S2或者S3吸收1个电子回到不带电荷的P680。很早就知道锰对光合放氧是必要的，锰积累4个氧化当量直接作用于水裂解。实验分析证明每个PSⅡ反应中心结合4个锰，由此推测每个放氧复合体也结合4个锰。Brudvig和Crabtree根据放氧复合体在S2状态下所测到的电子顺磁共振（EPR）信号具有Mn4O4类立方烷的结构，以及锰在天然系统和化学配位上所获得的证据，提出锰复合物在S状态循环过程中有5种氧化态的中间体，并且也证明存在立方烷与金刚烷之间结构转变的可能，这样就可以解释O－O键的形成，以及从S4状态返回S0状态时O2释放的分子机理。但在水光氧化过程中，蛋白质与锰复合物之间的关系，以及Cl-和Ca2+的作用还不清楚。四、电子传递和光合磷酸化　　（一）电子跨类囊体膜从水传递到NADP+　　图3－15描述了PSⅡ，cytb6-f复合物和PSI在跨类囊体膜传递电子过程中的协同作用。PSⅡ反应中心色素P680被LHCⅡ中吸光色素传递的光能激发后形成P680+，P680+起电子诱引剂的作用，具有足够强大的力量吸引电子。当1分子H2O被放氧复合体氧化时，释放2个电子供传递。第1个吸收电子的化合物（每次吸收1个电子）是D1多肽中的酪氨酸侧链。酪氨酸侧链然后把电子传递给P680+。P680+还原后被光激发把电子传递给pheo。pheo把电子传给QA，QA是一种特殊状态的质体醌，与D2多肽紧密地结合。QA把电子传给称为QB的另1分子质体醌，QB位于D1多肽附近，松散地附着在其上。要充分还原每一个QA和QB需要2个电子，所以水氧化的2个电子（每次传递1个）传到这些分子。实际上，QA和QB的还原还需要2H+的添加，如下所述：　　还原质体醌（PQ）需要的2个电子和2个质子，这对光合磷酸化作用是重要的，因为被利用的H+来源于基质，当PQ后来被氧化时，H+被释放入类囊体腔。因此，PQ在PSⅡ一端还原和在Cytb6-f一端氧化的总结果是把基质中的2个H+传递到类囊体腔。虽然称为QA的PQ紧密地结合在D2多肽上，但当QB从QA吸收2个电子和从基质吸收2个H+时，称为QB的PQ就会从D1多肽上脱落下来。然后另1分子氧化的PQ又占据D1多肽的QB位点，在那里进行还原。类囊体膜中的PQ是脂溶性的醌，它们能自由移动，能容易地进行代换。（一些除草剂通过占据D1多肽上的QB结合位点，阻止PQ的结合，阻断电子传递和光合作用而杀死杂草。）当放氧复合体氧化2分子水时，就有4个电子通过质体醌传递，使2分子QB被还原，离开D1和被代换。　　还原的PQH2把电子传递给cytb6-f复合物。cytb6-f复合物1次只能吸收1个电子，电子1次1个被传递给复合物中的Fe-S蛋白或者cytb6。在这两种情况下，是蛋白质中的1个Fe3+吸收1个电子还原为Fe2+。来自PQH2的2个H+释放入类囊体腔。这样，由放氧复合体氧化1分子水，就有4个H+被贮存在类囊体腔中，2个H+来源于水的氧化，2个H+来源于PQH2。2分子水的氧化（1分子O2的释放或者1分子CO2的固定）就导致8个H+在类囊体膜腔中积累。cytb6或者Fe-S蛋白的Fe中的1个电子被cytf吸收，把cytf中的Fe3+还原为Fe2+。然后cytf提供1个电子使质体蓝素（PC）中的Cu2+还原为Cu+。　　1个可移动的还原态PC沿类囊体膜腔把电子传递给PSI。PSI反应中心P700被LHCI中的色素吸收的光能激发，形成P700+。P700+吸收还原态PC中的1个电子还原为P700。P700依次把电子传递给A0，A1和4Fe-4S蛋白。最后，可移动的铁氧还素（Fd）1次吸收1个电子，并把电子传递给NADP+，完成电子从水到NADP+的传递。NADP+通过Fd-NADP氧化还原酶（FNR）的催化在基质中形成NADPH。　　电子被光能驱动跨类囊体膜传递形成NADPH的反应称为非环式电子传递（noncyclic electron transport）。图3-18总结了叶绿体中非环式电子传递的途径，由于其形状似“Z”形，也称为Z链（Z-scheme）。　　电子传递通过Fd不传给NADP+，而是传递到cytb6，PQ，Fe-S蛋白，cytf，PC，又回到P700等电子递体的过程，称为环式电子传递（cyclic electron transport）（图3-18）。环式电子传递中的P700成为P700+需要光能，1个电子传递需要1个光量子。此外，1分子PQ的还原和氧化把2个H+释放入类囊体腔，这些H+也有助于建立pH梯度和进行光合磷酸化作用。　　在非环式电子传递过程中，1个电子从水传递到NADP+需要2个光量子。氧化2分子水释放1分子氧和传递4个电子，生成2分子NADPH至少需要8个光量子。所以如果以光量子为基础计算光合效率（释放1分子氧或固定1分子CO2），则量子产量或者量子效率最多为1/8，而量子需要量（量子产量和量子效率的倒数）则至少为8。对许多种类的植物叶片而言，量子需要量为15～20，即使在理想的条件下也需要12。　　（二）光合磷酸化　　1.非环式和环式光合磷酸化　　植物叶绿体利用光能把腺苷二磷酸（ADP）和无机磷酸（Pi）合成腺苷三磷酸（ATP）的过程称为光合磷酸化（photophosphorylation）。光合磷酸化在光合作用的能量转换中起关键作用，它将光能驱动形成的电位能转变为ATP分子中的化学能，贮存并推动碳同化等反应。　　ATP的形成偶联于电子从水传递到NADP+的非环式电子传递途径称为非环式光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation）。在这个过程中，水裂解放出O2，其电子经一系列电子递体传递将NADP+还原。总反应式为：　　ATP的形成只偶联于涉及PSI的环式电子传递途径称为环式光合磷酸化（cyclicphotophosphorylation）。在这个过程中没有水的裂解和NADPH的形成。总反应式为：　　2.光合磷酸化与电子传递的关系　　电子传递有几种情况，在反应液中没有磷酸化底物（Pi和ADP）的条件下，光照引起叶绿体的电子传递称为基本电子传递，其反应速度为基本电子传递速度。加Pi则得二态电子传递速度，再加ADP则进行快速的磷酸化电子传递，也称三态电子传递。由此可见，没有电子传递，磷酸化就停止。可是没有磷酸化，仍然存在基本电子传递，只是在偶联磷酸化时电子传递加快。　　磷酸化与电子传递的关系可以用两种反应的准量关系加以说明。每对电子通过电子传递链而形成的ATP分子数，用ATP/e2-，或用P/O来表示。磷酸化与电子传递偶联越紧密，这个比值越大。研究结果表明有关这个比值还存在1、1.3和2三种意见。最初人们认为这个比值是1或小于1，殷宏章等最早报告这个比值大于1，目前普遍的看法是1.3。　　解联剂是一类可以解除磷酸化反应与电子传递反应相偶联的化合物，其作用结果是电子传递加速，而磷酸化受抑制。解联剂可分为两类。一类属于增加膜对质子的透性，如NH3和二硝基酚，它们起“渡船（ferryboats）”的作用，把质子传递回基质；破坏跨类囊体膜的pH梯度和阻止ATP的形成。另一类是与偶联因子起专一作用，从而增加偶联因子渗漏质子的能力，如汞离子及其衍生物，银离子等。能量传递抑制剂如根皮苷，tentoxin和triphenyltin等，是以通过阻止质子渗漏的方式而抑制偶联因子的，它们并不加快电子传递。　　3.光合磷酸化的机理　　到目前为止，解释光合磷酸化机理的学说有以下几种：（1）化学学说；（2）化学渗透学说；（3）蛋白质构型变化学说；（4）区域化的质子势学说。但比较普遍接受的学说是Mitchll的化学渗透学说（chemiosmotic theory）。该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：（1）由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子具有选择性，膜的组成在空间上将膜分成内外两侧；（2）具有一定氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜内；（3）膜上有偶联质子转移的电子传递系统；（4）膜上还有一个转移质子的ATP酶系统。光合或者氧化电子传递链的电子传递伴随膜内外两侧产生质子转移。质子又不易穿过膜，故膜两侧形成质子浓度梯度△pH，还引起膜电位差△ψ。△pH和△ψ两者合在一起称为质子动力（proton motive force，PMF），驱动ATP酶将ADP和Pi合成ATP。　　大量的实验结果支持了Mitchll的设想。当对无缓冲的叶绿体悬浮液照光时，引起H+的吸收，同时类囊体内水相变酸，类囊体膜内外质子浓度差可达3～3.5pH单位，膜电位差可达10～100mV。如果将在pH8提取的叶绿体基粒悬浮在pH4.0的琥珀酸溶液中，琥珀酸进入类囊体腔，腔内的pH值很快变成4.0；然后把悬浮液的pH迅速上升为8.0，产生的△pH为4.0（基粒内的pH为4，基粒外的pH为8），在有ADP和Pi存在时生成ATP（图3-19）。进行光合磷酸化时，质子梯度减少，并加速了反映类囊体膜电位差形成的515nm处吸收的衰减，即降低了PMF。Mitchll的贡献就在于把膜和质子的概念引进到生物能量转换和偶联机理的解释之中，因此，他在1978年获得了诺贝尔化学奖。　　但ATP合酶怎样利用PMF把ADP和Pi合成ATP的机理还不清楚。Tran-Anh和Rumberg根据ATP合成和水解的动力学研究，提出了ATP合酶的作用模型（图3-20）。他们认为ATP合成包括下列步骤：　　（1）反应位点E向基质释放1个质子（E2+→E+）。　　（2）Pi2-和ADPMg-结合到反应位点（E+），形成[E+ADPMg-Pi2-]。